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木工机械/家具机械 |
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现代木家具制造刨削工艺 |
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作者：南京林业大学木材工业学院 朱剑刚 |
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木材经过“配料”这一加工阶段后，被制成了规格毛料，为了将其进一步加工成符合尺寸的形状和表面质量要求的零件，接着刨切加工称“毛料加工”，这一加工工序承上启下，为更为精细、更为丰富的后续加工打下坚实的基础。
刨削加工作为“毛料加工”中最主要的加工方式之一，深受家具制造业的重视。本文因此结合现代木材加工技术对刨削加工进行探讨。
1刨削加工的理论基础
1．1“毛料加工”工序的基本要求
木材的切削加工是“通过改变木材的几何形状或改善木材表面的光洁度从而将木材转变成增值产品”的过程。经“配料”工序后，所得到的毛料表面是粗糙不平的。为了使木家具零部件获得正确的尺寸和光洁的表面，必须保证在加工各表面时，有一个准确的定位。作为后续工序加工的基准，并逐步加工其它面，加工基准面便是“毛料加工”工序的基本要求。
1．2质量要点
从工业生产的角度而言，如图1所示，刨削加工所获得工作的表面质量常是通过二个指标来表征的，即节距（P）和峰高（h）。根据木材铣削原理，凡是以刨削方式切削形成的工件表面，都会留下有规律的波纹。节距（P）可以理解为波纹长度，即刨削加工中，每一指导切削刃削木材时在木材表面的起点和终点之间的距离。其值的大小和进料速度（F）、刀轴转速（R）及刀具上切削刃的数目（N）有关，它们之间的关系如公式（1）所示：
P=1000F/RH——(1)
式中：P——节距，mm
F——进料速度，M/min
R——刀轴转速度，r/min
N——切削刃数量
而峰高（h）则为刀刃削入木材的深度，其值和节距（P）和刀具的切削圆直径（D）有关，它们之间的关系如公式（2）所示：
h=p2/4D——(2)
式中：h——峰高,mm
p——节距,mm
D——切削圆直径, mm
对于工作表面加工质量而言，节距越短，工件就越平滑，峰高越小，工件的表面平整度就越好。但在实际生产中，过小的节距往往会造成刀具的快速磨损，而峰高又和节距的大小相关。经验表明，家具生产中，将节距控制在1.5-1.7mm,将峰控制在0.001-0.005mm时，能获得好的表面质量，同时也能减少对刀具的磨损并保证一定的加工效率。可以说，理解节距和峰高之间的关系对保证工件表面加工质量显得尤为重要。
2刨削方案的选择
毛料通过各种刨床的加工达到要求的形状和尺寸而成为净料。平面的刨切加工主要有以下几种工艺方法，特点如下：
（1）平刨加工基准面和侧面，压刨加工相对面和边。运用此加工方法可以获得精确的形状、尺寸和较高的表面质量，但此加工方法劳动强度较大、生产效率低，适合于毛料不规格以及生产规模较小的生产。
（2）先平刨加工一个或两个基准面（边），然后用四面刨加工其它几个面。此法加工精度稍低，表面较粗糙，但生产率比较高，适合于毛料不规格以及一些中、小型规模的生产。
（3）先由双面刨或四面刨一次加工两个相对面，然后用多片锯纵解加工其它面。此次加工精度稍低，但劳动生产率和木材出材率相对较高，适合于毛料规格以及规模较大的生产。
（4）用四面刨一次加工四个面。采用此法要求毛料比较直，因没有预先加工出基准面，所以加工精度较差，但劳动生产率和木材出材率高，适合于毛料规格以及规模较大连续化生产。
（5）压刨或双面刨分几次调整加工毛料的四个面。此法加工精度较差、生产效率较低、比较浪费材料，但操作较简单，一般只适合于加工精度要求不高、批量不大的内芯用料。
（6）平刨加工基准面和边，铣床（下轴立铣）加工相对面和边。此法生产率较低，适合于折面、曲平面以及宽毛料的侧边加工。
在实际生产中，应根据零部件的质量要求，合理地选择刨削设备及工艺程序，以保证加工质量和加工效率。
在实际生产中，应该根据零件的质量要求及生产量，来合理选择加工设备和加工方法。锯切后的精截毛料经过基准面、相对面的加工以后，可根据所得到净料的尺寸精度、开头精度和表面粗糙度业评定其加工质量，确定其能否满足互换性的要求。净料和尺寸和形状精度由所采用的设备和选用的加工方法来保证，而表面加工质量则取决于刨削加工的工艺规程。
木材的刨削设备是一个较大的产品系列，主要的设备有传统的加工毛料基准的平刨床、加工基准相对面的压刨床、能同时对工件上、下平面进行加工的双面刨床，高效率的四面刨床，还包括能将毛料进行定厚双面刨削并再经多片锯纵剖以制成四面光洁、断面尺寸一致的产品压刨多片锯等特殊的刨削设备。
传统的刨削加工是在平刨床上刨基准面，再由压刨床来定厚与刨相对面，虽然此种刨削方案以精度高，可获得准确的形状和尺寸，表面也比较光洁等优势而曾得到广泛的采用，但由于其劳动消耗大、生产效率低，尤其是操作中普遍存在的不安全因素，使得其在现代木家具生产中已逐渐被新型设备所替代。
四面刨的出现使得刨削加工产生了质的飞跃，虽然早期的四面刨在毛料加工中为保证加工精度，还需要和传统的刨削设备进行配合来完成加工。但随着技术的发展，新型四面刨集高精度、高效率、安全性以及型面一次成型等诸多优势于一身，使其在生产中逐渐得到大量运用，并真正成为方材“毛料加工”的主流选择方案。
四面刨采用机械进料，工序集中，可一次就工件四个表面进行加工，并可以加工出各种不同开头的成型表面。通过灵活的刀轴配置，将粗、精加工分开，从而使所得到的零件质量好。并且具有工人的劳动强度小、进给速度高、劳动生产率高、设备利用率高、木材出材率高等优点，适合方材毛料规格材及连续化生产的木家具企业采用。同时，四面刨也是生产木门窗、像框、地板及装饰木线条等产品的企业的主要设备。
3四面刨加工技术概览
3．1典型加工产品
毛料经四面刨加工后，可在成品宽度及厚度方向被刨成所需的横断面。经过不同刀轴排列形式的四面刨，几乎可以制造出任何形状的线型产品。图2示所示为木材经四面刨一次加工所能刨削的系列产品。
3．2典型加工过程
图3形所示为名轴四面刨典型加工过程的示意图，其刀轴配置具体如表1所示。
毛料送入四面刨削时，先经第1把底部刀（平刀）刨出一平面为基准底面；再经第2把内侧刀（平刀）刨出内侧基准面，亦为平面；然后才由第3把外侧刀（型刀）及第4把内侧刀（型刀）刨出成型侧面（此时即完成宽度方向的加工）；第5把顶部刀（型刀）刨削顶部形状；接下来第6把底部刀（型刀）刨削成型；最后再经由第7把项部刀（型刀）精切成型，至此即完成四面刨削作业。表1 典型四面刨的刀轴配置
 以上所示只是四面刨削机构的一种，在实际生产中，四面刨床的切削机构较为复杂。不同的四面刨会在刀轴数量、刀轴结构以及刀轴布局等方面的不同配置而呈现不同的刀轴配置形式，从而实现不同的加工件所需的加工功能，图4所示是四面刨设备提供商提供的刀轴排列的各种形式供企业选择。
另外，上述刀轴结构仅是由底刨轴、立铣轴和卧铣铀等组成的四面刨基本切削机构，许多四面刨还可配合使用能完成特殊功能的一些特殊刀轴，即万能刀轴、锯切轴或剖分锯装置。其中万能刀轴，有时也称为变位刀轴，便是经常配置的一种特殊刀轴，该刀轴的位置根据需要可以变化，甚至可以完成上、下、左三种刀轴或上、下、左、右四种刀轴的功能，从而大大扩大了四面刨的加工性能。
3．3主要技术参数
四面刨床的特点在于一次进给过程中同时完成四个表面的加工，从而得到宽度和高度两个方向上的较精确尺寸。因此，最大加工尺寸（宽度×高度）便成为四面刨产品首要的技术参数，表2所示为主流四面刨产品的加工范围。表2 主流四面刨加工范围
 3．4刀具
同样，设备离不开好的刀具与之相配合，四面刨设备的加工精度是与优良刀具及安装定位系统分不开的，图5所示为四面刨常用的刀具系列。
刀具因磨损而变钝虽是大多数木材加工设备的普遍问题，但该问题对于四面刨而言显得尤为突出，刀具变钝将引发四面刨加工过程中的一系列总是工件表面加工质量下降，还会影响到工件的正常进给，甚至还会引发工件通过整合机床的控制问题。
目前，四面刨的技术领域中关于刀具方面的技术焦点主要集中在提高刀具耐磨性、缩短更换刀具时间及提高刀具安装定位精度等三个方面，这也正是刨削设备生产企业竞争的焦点。
3．5木家具企业装备数字化的利器
现代新型的刨削设备特别是四面刨有别于传统刨削设备，体现在进给速度和刀轴转速都大大地提高，特别是在自动化程度方面有显著提升。
有学者研究表明，通常装夹等辅助作业用的时间会占到机加工作时间的70%左右，也就是说用刀具进行切削材料的“真正”加工时间只有三成左右，如果要算工件实际被切削时间占它在车间停留的时间，那仅只有5%左右。而四面刨是有着由含多个刀轴的切削机构、压紧装置及进给装置等复杂系统组成的多工序设备，如果没有自动化的操纵控制装置，将无法保证四面刨的“真正”加工时间，也无法保证调机精度，从而导致制造费用居高不下，也就谈不上去适应当今木家具“小批量多品种”的生产模式对灵活性的挑战了。
所以，四面刨生产厂家纷纷致力于数字显示控制、数控以及计算机控制等方面的自动化技术的研究，以期减少机床调刀及换刀时间，提高效率，并同时提高四面刨设备的调节精度，进而将四面刨纳入到家具集成制造系统中去。
实践表明，许多木家具企业在选用自动化程度高的四面刨设备后，在提高产品品质、减少不良率及增加单位时间产量等方面都取得了回报。
4结语
本文以四面刨为主要加工设备的刨削工艺进行了初步的探讨。众所周知，这虽然是木家具生产中的基础工艺之一，但其中也蕴含了许多不断发展的新技术及技术诀窍，也曾有学者对我国四面刨设备制造关键技术的国产率表示过忧虑，尤其是中国家具制造业正面临着越来越复杂的竞争环境，摆脱单纯的低价格竞争模式，切实提高我国制造的技术水平，培养基于产业链的竞争能力已成为当务之急。
笔者希望广大木家具生产企业，设备供应商及科研院校走到一起进行总结和探讨。因此，本文希望能起到抛砖引玉的作用，并给业界有所借鉴。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/28/2007) |
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