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[制造工艺] 木家具异型零部件生产工艺

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2019-7-9 08:44:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    家具异型零部件生产工艺[size=0.6em]*
    熊先青 杨为艳 黄琼涛 方 露 孙宏南
    摘要: 通过对木家具异形零部件加工现状进行调研及分析,对木家具异形零部件的造型、结构特点加以分类整理,进行了异形零部件的结构优化。在此基础上,分析了木家具异形零部件的设备选型和工艺技术,包括普通木工机械的常规加工技术、自动铣形技术和数控加工技术,以达到提高异型零部件的加工质量、加工精度和加工效率,同时减少安全隐患的目的。为企业进行异型零部件标准化建设奠定基础。
    关键词: 木家具异型零部件; 结构优化; 设备选型; 加工技术

    [size=1em]在现代木家具设计与制造过程中,为了满足消费者个性化的需求,设计过程中更多地在追求家具功能多样化和产品的形式美,整个产品的造型也越来越丰富,对零部件外部造型及细节设计要求越来越高。由于家具产品都是由单个零部件构成,因此,多样化的产品造型必将带来零部件形状差异化,异型零部件也越来越多样化,由此给企业生产车间增大了加工难度。

    [size=1em]对照中国家具主体的中小型企业,当前,木家具零部件还是以通用机床加工为主,特别是异型零部件因受到其结构特征的限制,加工自动化水平还很低,往往采用机械锯解或铣床铣削为主,“手工进给+铣床加工”的方式占绝大多数。铣床设备加工零部件时,需要辅助模具来完成,操作者直接手拿工件近距离的接触设备,这样势必造成工人劳动强度大、加工精度低、效率不高、安全性差、环境污染严重等问题。

    [size=1em]基于此,笔者在通过对企业现有异型零部件加工工艺调研和分析的基础上,在保证零部件原有形状和产品加工质量的同时,对异型零部件结构进行优化分类,综合木家具异型零部件加工设备选型与加工技术分析,来提高加工质量和加工效率,减少安全隐患,使家具异型零部件的加工更加规范合理和标准化生产,以期能解决大多数家具企业面临的异型零部件加工难题。

    1 木家具异型零部件概念和加工工艺现状1.1 异型零部件的概念

    [size=1em]在木家具企业的生产过程中,为了满足功能上和造型上的要求,部分家具零部件需要做成各种型面或曲面,称之为异型零部件[1]。它是木家具构成中所有外形不规则零部件的总称。包括:各类型面和曲面,如直线型、曲线型、回转体型、复杂型、宽面及板件型面等。

    [size=1em]在实际应用过程中,异型零部件分布在家具产品的方方面面,如桌椅凳几腿、椅背、床屏、扶手、望板、拉档、异型脚形、车削或旋制的回转体零件以及柜类的顶板、面板、旁板、门板和桌几的台面板等。

    1.2 异型零部件的加工工艺现状1.2.1 传统机械加工是异型零部件加工方式的主流

    [size=1em]对多家企业调查发现,虽然有部分企业在异型零部件加工方式上引进了先进的机械数控设备或自动化技术,但仅限于部分大型企业的部分零部件加工,真正将整个异型零部件都采用先进设备进行加工的模式,国内很少见。采用铣床、平刨、压刨、车床等传统机械设备进行木家具异型零部件的铣形加工方式仍是主流。

    1.2.2 异型零部件不能一次铣削成型

    [size=1em]与数控机械加工铣削一次性成型不同,由于采用传统机械设备加工,异型零部件往往需要经过两次或多次加工才能成型。例如弯曲件需要在线锯机上先锯出粗形,再在双面压刨上将两面刨光,再进行两侧面的轮廓铣形。可以看出一个简单弯曲零部件加工需要经过三种机械才能完成,由此造成的加工误差往往会很大,加工精度也会降低很多,从而造成效率低下。

    1.2.3 异型零部件数控加工技术不完善

    [size=1em]由于我国家具行业的先进制造技术应用较晚,自动化和数控机床等先进制造设备仅在板式家具企业和大型实木家具企业得到推广,推广的数控设备数量有限,主要为以批量化生产为主的大型设备,针对异型零部件的加工设备并不多见。先进设备虽然能在短时间内提高企业零部件的加工质量和数量,但由于设备的昂贵成本和低廉的中国劳动力成本相比,企业更愿意选择低廉的劳动力来进行“手工进给+铣床加工”的生产模式。同时,由于国内家具企业工人的文化水平普遍比较低,对数控机床技术的掌握程度不熟练,数控设备往往都没能最大程度地发挥其优势,加工范围并不能推广到更为广泛的零件中,只能部分地选取,因此,数控技术对异型零部件的加工推广较慢,加工技术还处在摸索阶段。

    1.2.4 异型零部件结构复杂多变,标准化分类不到位

    [size=1em]异型零部件造成加工难的问题,除了跟加工设备有关外,更为重要的是其自身形状复杂。正是由于形状结构的复杂性,在加工之前,应对异型零部件结构进行规范化管理。但现实情况是企业现有的异型零部件几乎没有分类和标准,更没有一个统一规范,也不会因零部件的结构形状来选择最佳的加工方法和加工设备,而是宁可增加多次工序来完成加工,更不能形成流水线的作业形式。

    1.3 异型零部件加工易出现的问题1.3.1 安全性差

    [size=1em]木家具加工过程中最重要的安全问题是机械、器械伤害[2]。在异型零部件加工的过程中,必须依靠机械设备通过刀具的高速切削运动,才能获得理想的异型形状和较好的表面质量,如图1b所示。由于目前大多家具企业采用的加工设备为传统的锯机、铣床、刨床等而非自动化的数控机床,加工过程中,大多是敞开式、流动式、分散式的作业状态,而且以手工进给的方式,切削过程中会出现大量的木屑、碎片等,在一定的加工范围内极容易伤害工人的眼睛、面部等,特别是当遇到节疤或其他缺陷时,情况会更严重。同时,由于手工进给的方式有可能造成手与刃具的接触而造成伤害。因此,采用传统机床和工艺对异型零部件加工时,极容易发生高速机械伤害事故,给企业带来安全隐患。

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    [size=0.8em]图1 家具企业传统异型零部件加工
    Fig.1 Traditional furniture enterprise special-shaped parts processing

    1.3.2 效率及质量低

    [size=1em]传统异型零部件加工过程中,工人往往依据图纸在木料上先画出大样线条,然后按线条进行铣形,由于都是按比例手工放样,划线、铣形、砂光等过程都会存在一定的误差,从而造成同种零部件不同个体之间的差异,使得整个加工过程质量和精度都无法保证,如图1a所示。特别是新到的异型零部件,需要新模具设计,铣形时需要一个从适应到熟悉的过程,由于是手工进给,加工过程中工人需要高度集中,但不可避免地会产生疲劳、注意力下降、体力下降等生理反应,所有这些都会造成效率和质量降低,同时也会增加安全隐患发生的几率。

    1.3.3 环境污染严重[size=0.6em][3]

    [size=1em]在木家具异型零部件的加工过程中,环境污染是所有机加工工序中最为严重的问题。加工过程中,由于是开放式生产,不断会有刨花、木屑等不同大小的木质废料和粉尘产生,极容易造成火灾及环境危害,并对工人的呼吸系统产生影响。同时,由于工人近距离操作,设备产生的噪音也会直接影响操作者听力等,长期在此环境中作业,严重影响其身心健康,如图1b所示。

    1.3.4 管理困难

    [size=1em]由于采用普通木工机械设备对异型零部件进行加工,模具是必备的辅助加工设备,当模具、样模等的数量达到一定程度时,就会对管理、使用与维护带来困难,模具越多,管理也越难,如图1c所示。

    2 异型零部件结构优化2.1 异型零部件结构优化目的和基本原则

    [size=1em]异型零部件结构优化目的是希望木家具企业在进行异型零部件结构设计时,尽量简化和梳理复杂的结构,向着标准或规范化的形状靠近,避免或减少异型零部件加工过程中易出现的各类问题。

    [size=1em]异型零部件结构优化的原则:在满足使用功能和客户需求的同时,以方便设备选型和最大程度提高生产效率及加工安全性为原则。

    2.2 异型零部件结构优化结果

    [size=1em]依据零部件的外观结构特征,根据对国内某家具企业的调研,笔者将异型零部件结构优化为:平面异型、弯曲型、复杂外形结构零部件、轴对称(回转体)型、宽面及板件型面。

    2.2.1 平面异型零部件

    [size=1em]平面异型零部件是指零部件在空间二维的范围内出现异形,如用三视图表现,有且只有一个视图含有非圆曲线,另两个视图为矩形[4]。又可分为平面直线型、平面曲线型、平面环型等,如图2所示。其中,平面直线型是指零件纵向呈直线形,横断面呈一定型面,如各类线条;平面曲线型是指零件纵向呈曲线形,横断面无特殊型面或呈简单曲线型(由平面与曲面构成简单曲线形体),如各种桌几椅凳腿、床屏、扶手、望板、拉档等;平面环型类异型零部件是指边部线型,中间呈现环型零件,如各类环形盖板。

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    [size=0.8em]图2 平面异型零部件示意图
    Fig.2 Plane special-shaped parts diagram

    2.2.2 弯曲结构异型零部件

    [size=1em]弯曲类异型零部件是指零件呈弧线形特征。如用三视图表现,有两个视图中含有非圆曲线[3]。最为典型的是靠背椅的背部横拉档,也有部分床屏呈现此结构,如图3所示。

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    [size=0.8em]图3 弯曲结构异型零部件示意图
    Fig.3 Bending structure special-shaped parts diagram

    2.2.3 轴对称结构异型零部件

    [size=1em]将方、圆、多棱、球等几何体组合在一起,曲折多变,轴对称结构异型零部件的基本特征是零件的横断面呈现对称结构,以圆形或圆形开槽形式。一般包括具有螺旋状纹样的柱体和半柱体的零部件,如各种车削或旋制的桌椅腿、圆锥形脚、床类的纵枨、椅类的椅靠竖条及柱台形、回转体零件,如图4所示。

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    [size=0.8em]图4 轴对称结构异型零部件示意图
    Fig.4 The axisymmetric structure specialshaped parts diagram

    2.2.4 复杂外形结构异型零部件

    [size=1em]复杂外形结构异型零部件纵向和横断面均呈复杂的曲线型(由曲面与曲面构成的复杂曲线形体)。如用三视图表现,三个视图均含有非圆曲线,且这三个视图均不相似[4],如鹅冠脚、老虎脚、象鼻脚等 ,如图5所示。

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    [size=0.8em]图5 复杂外形结构异型零部件
    Fig.5 The complex shape structure special-shaped parts diagram

    2.2.5 宽面及板件型面异型零部件

    [size=1em]较宽零部件以及板件的边缘或表面被铣削成各种线型,以达到美观的效果。如镜框、镶板、果盘,以及柜类的顶板、面板、旁板、门板和桌几的台面板等,如图6所示。

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    [size=0.8em]图6 宽面及板件型面结构
    Fig.6 Wide surface and plate type surface structure

    3 木家具异型零部件加工设备选型与加工技术分析

    [size=1em]为提高异型零部件加工质量和加工效率,保证加工安全,笔者依据上述异型零部件的外观形状和结构分类,通过普通木工加工设备;靠模铣床、仿形铣等设备;数控加工设备,并结合企业实际和各类夹具、样板、靠模及实样,得出如下异型零部件的加工过程。

    3.1 异型零部件的常规加工技术3.1.1 平面直线型异型零部件

    [size=1em]此类异型零部件只体现在横断面,加工过程分两种,一种是在四面刨或木线机上采用成型铣刀直接加工,另一种是结合夹具,在下轴铣床(立铣)上利用成型铣刀,进行铣形、裁口、开槽、起线等。由于加工过程相对比较简单,安全性高、加工精度能够保证。

    3.1.2 平面曲线型异型零部件

    [size=1em]此类零部件的加工过程,先需在被加工零件上画出大样线条,然后用夹具将零件固定,依据纵向曲线方向,选用单个或两个转动方向相反的刀轴,采用手工进料方式,在单轴立铣或双轴立铣上借助模具,完成不同方向弯曲线的铣削加工。此类加工方式,安全性低、工人劳动强度大、而且效率低、加工精度往往不能保证;另外,对厚度一致且弯曲度小的零件,可配合模具在压刨上进行加工。

    3.1.3 平面环型异型零部件

    [size=1em]此类零部件的加工过程,先将板件进行双面刨光,然后利用对板件进行画线或利用靠模,在上轴铣床(镂铣)上分别进行内、外侧边部异型曲线的铣形加工。此类加工方式,安全性高、加工效率高、加工精度基本能够保证。

    3.1.4 弯曲结构异型零部件

    [size=1em]弯曲件异型零部件,按零部件的弯曲弧度可分为铣成型零部件和弯曲成型零部件。铣成型零部件弯曲度小,其弧度往往在100°以上,其弧形型面加工,类似于面曲线型异型零部件的加工。首先锯解弯曲件的毛料,经曲面刨光后,用下轴铣床(立铣)侧边铣形。由于弧面加大,铣削加工时,不但材料的浪费会增大,同时由于切削时将纵向木材纤维切断,造成零部件的力学性能减弱。因此,此类零部件尽可能采用弯曲成型的加工方法会更理想。

    3.1.5 轴对称结构异型零部件

    [size=1em]此类零部件大多设计成回转体或回转体的某一部分,其加工过程为首先进行配料,再用四面刨进行四面刨光加工成立柱,然后车削进行回转体的加工。为了提高回转体零件表面的装饰效果,可在表面上车削出直线或螺纹状等各种槽纹,常采用槽纹(直线及螺纹)成型机(又称打沟机或打槽机)进行加工。对回转体的一半或部分的异型零部件的加工,应先加工相对应的柱形零部件,再进行分切。此类加工方式,安全性高、加工效率高、加工精度基本能够保证。

    3.2 异型零部件的自动铣形技术

    [size=1em]随着加工设备和加工技术的进步,木家具异型零部件除上述传统木工机械加工外,涌现出更多的自动铣形技术,改变了传统的手工进给模式,采用机械进给的方式,其特点为:安全度高,工人劳动强度低,加工精度高,适合大批量零部件加工。主要包括靠模铣床、仿形铣床、仿形车床等。

    3.2.1 自动靠模铣床

    [size=1em]对于具有复杂形状的内外部曲线轮廓的异型零部件的加工,借助样模和辅助模具,采用各类自动靠模铣床加工。按进给方式可分为:辊筒进给式、链条进给式及回转工作台进给式。

    [size=1em]辊筒进给式靠模铣床适用于细长弯曲件异型零部件,加工时,需采用模具辅助铣形,适用于批量生产,如图7a所示。

    [size=1em]链条进给式靠模铣床常用于直线或者曲线外形零部件加工,相对于手工进给,能控制进给量,提高加工精度,控制操作者与刀具的距离,安全性高。

    [size=1em]回转工作台进给式靠模铣床,是利用不停旋转中的工作台作为进给机构进行木家具异型零部件的加工,用于批量环型异型零部件的外边缘或内径加工,如宽面及板件型面结构异型零部件(图2c),刀头形状决定外边缘或内径线型形状。分为:回转工作台式自动靠模铣床(图7b)和回转工作台式自动内径靠模铣床(图7c)。

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    [size=0.8em]图7 自动靠模铣床示意图
    Fig.7 Automatic prof i ling milling machine diagram

    3.2.2 仿型铣床

    [size=1em]仿形铣床是一种专用加工设备,是利用靠模或模板,通过刀具以及被加工零部件之间所形成的复合相对运动,实现仿形加工,适用于中等或批量生产加工。分为立体仿型铣床和表面仿型铣床。

    [size=1em]立体仿型铣床,加工对象为复杂外形结构异型零部件(图5),由于此类零件结构复杂,加工过程中如传统加工设备,会造成尺寸及整体形状变形或误差,多采用杯形铣刀(或碗形铣刀)对工件进行立体仿型铣削加工,如脚型、弯腿、假肢等。首先按零件形状尺寸要求先作一个样模(可以是金属、木质或其他材料,要求有一定的强度和刚度,不易变形),依靠仿型刀架,将样模和工件都绕自身轴线作同步回转运动的同时,完成切削铣形,如图8a、b所示。

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    [size=0.8em]图8 仿型铣床加工过程示意图
    Fig.8 Duplicating milling machine processing process diagram

    [size=1em]表面仿形铣床是一种利用雕刻铣刀,根据样板的形状,在板状零部件表面上雕刻各种的花纹图案或进行更为复杂型面加工的铣床。

    3.3 异型零部件的数控加工技术

    [size=1em]随着中国数字化制造和“中国制造2025”在我国制造业的大力推广,智能化数控设备在我国家具企业开始广泛应用[5,6],数控设备最大特点是加工精度高,安全性好,加工外形复杂、多品种零部件更加灵活,是一种高效、柔性的自动化机械设备。异型零部件的数控加工又可分为:数控车床、数控铣床、数控镂铣机和加工中心[7]。

    [size=1em]数控车床,除能够完成普通车床的所有加工外,还能够加工回转成型面,将普通的车铣和槽纹(直线及螺纹)成型机(又称打沟机或打槽机)的加工一次性在数控车床上完成,减少了多次加工工序,适用于大批量和较大规模的企业生产加工。

    [size=1em]数控铣床,因具有三个轴及三个轴以上的联动功能,因此,可加工空间曲面型零部件。同时,其加工精度高、速度高、加工范围广,对复杂形状的异型零部件加工非常便捷。但同时,因零件建模时间长,不适用于小批量异型零部件加工。

    [size=1em]数控镂铣机,实现加工刀具在三维或多维空间中联动的直线或曲线插补运动,达到加工程序中所要求的精确加工位置和高效率,从而保证形状复杂异型零部件的加工质量。在家具行业,能够进行立体波浪板加工,工艺木门、橱柜门、免漆门,屏风等加工家具产品的铣形雕刻。

    [size=1em]加工中心(简称CNC),与普通数控机床的区别在于CNC增加了刀库和自动换刀装置。此装置可安装锯片、铣刀、钻头刨刀、砂轮等刀具,以便实现锯断、起槽、铣槽、雕刻、倒角、刨削、钻孔、砂光等多种功能加工。加工中心所能加工零部件的种类多,精度高,效率高,适用于大中型企业和多批量生产的异型零部件加工。

    4 结论

    [size=1em]木家具异型零部件加工技术和现场管理一直都是企业车间的管理瓶颈,如何改变现行脏、乱、差及安全性低的局面,健全标准化的加工体系,是当前要解决的首要问题。因此,笔者从现行家具企业异型零部件的加工现状入手,分析其加工特点和存在的问题,将异型零部件结构进行了优化,并通过优化的异型零部件分类进行设备选型及工艺技术分析,找到合理的加工方式,提高异型零部件的加工精度、加工效率及安全性,并达到改善环境和方便管理的目的,为企业进行异型零部件标准化加工奠定基础。同时,随着加工技术和数字化加工水平的提高,异型零部件加工会逐渐趋于自动化、批量化的流水线加工,这就需要对新设备与新技术的不停探索,以达到不断优化木家具异型零部件铣形技术的目的。

    [size=1em]参考文献

    [size=1em][1]吴智慧. 木家具制造工艺学[M]. 第二版. 北京:中国林业出版社,2013.

    [size=1em][2]张鹏, 杨文芬, 丁辉. 木制家具生产行业的职业危害与个体防护[J].中国安全科学学报, 2010(8):136-141.

    [size=1em][3]娄军委, 申利明. 家具机械操作不安全行为及预防措施探究[J]. 湖北林业科技, 2009(5):35-37.

    [size=1em][4]徐挺. 实木家具异型零件的结构表达与生产工艺[J]. 家具与室内装饰, 2014(6):52-53.

    [size=1em][5]胡万义. 国外数控木工机械发展概况[J].林业机械与木工设备,2008(2):7-8.

    [size=1em][6]汪子卜, 朱兴微, 何盛, 等. 数控木工机床发展综述[J]. 林业机械与木工设备, 2012(11):8-13.

    [size=1em][7]张占宽, 程放. 木质品数控铣加工技术[M]. 北京:中国林业出版社,2004.


    [size=1.8em]Processing Technology Analysis of Wood Furniture Special-shaped Parts
    XIONG Xian-qing1 YANG Wei-yan1 HUANG Qiong-tao2 FANG Lu1 SUN Hong-nan2
    (1. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 2.Guangdong Yihua Timber Industry Co., Ltd.,Shantou 515834, China)
    Abstract: Through the investigation and analysis of the present situation and problems of wood furniture special-shaped parts processing, the modeling and structure characteristics of wood furniture special-shaped parts are classified, and the structure of special-shaped parts is optimized. On this basis, the equipment selection and technologies of wood furniture special-shaped parts are analyzed,including conventional processing technology of woodworking machinery,automatic milling technology and numerical control processing technology,in order to improve the processing quality, processing precision and efficiency of the special shaped parts,and at the same time to reduce the potential safety hazard,so as to lay a good foundation for specialshaped parts standardization construction for the enterprise.
    Key words: Wood furniture special-shaped parts; Structure optimization; Equipment selection; Processing technology
    中图分类号:TS664
    文献标识码:B
    文章编号:1001-5299 (2016) 11-0039-06
    *基金项目:国家林业公益性行业科研重大专项“实木家具用低质材提质加工技术研究与示范”(201404501);广东省宜华木业股份有限公司技术中心资助项目(YH-NL-20140103);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
    熊先青, 副教授,南京林业大学,E-mail:96xiong0450@sina.com
    修回日期:2016-09-20

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