现代木家具的型面与曲面铣削工艺

作者：南京林业大学 吴智慧

欢迎访问e展厅 展厅 2 木工机械/家具机械展厅 木工雕刻机, 木工铣床, 木工镂铣机, 旋切机, 木工钻床/排钻, ... 为了满足功能上和造型上的要求，有些家具的零部件需要制成各种型面或曲面。这些型面和曲面归纳起来大致有以下5种类型： （1）直线形型面：零件纵向呈直线形，横断面呈一定型面，如各种线条。 （2）曲线形型面：零件纵向呈曲线形，横断面无特殊型面或呈简单曲线型（曲平面与曲面构成简单曲线形体），如各种桌几腿、椅凳腿、扶手、望板、拉档等。 （3）复杂外形型面：零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），如鹅冠脚、老虎脚、象鼻脚等。 （4）回转体型面：将方、圆、多棱、球等几种几何体组合在一起，曲折多变，其基本特征是零件的横断面呈圆形或圆形开槽形式，如各种车削或旋制的腿、脚以及柱台形、回转体零件。 （5）宽面及板件型面：较宽零部件以及板件的边缘或表面所铣削成的各种线型，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。 上述各种型面与曲面的加工，通常是在各种铣床上进行，按照线型和型面的要求，采用不同的成型铣刀或者借助于夹具、模具等的作用来完成。根据各种零件的型面和曲面的型式不同，也可采用仿型铣床、木工车床、镂铣机或数控镂铣机等来加工各种型面与曲面。现分述如下： 1 直线形型面零件的加工及设备 1.1 四面刨或线条机 直线形型面零件主要是在四面刨或线条机上采用相应的成型铣刀来进行加工。如果要在零件宽面上加工型面，为了保证安全或使零件放置稳固，宜在压刨或四面刨的水平刀头上安装相应的成型铣刀来加工。 1.2下轴铣床（立铣） 直线形型面零件的铣型、裁口、开槽、起线等的加工，也可在下轴铣床（立铣）上根据零件断面的形状，选择相应的成型铣刀，并调整好刀头伸出量（刀刃相对于导尺的伸出量即为需要加工型面的深度），使工件（或夹持工件的专用夹具）沿导尺移动进行切削加工。 2 曲线形型面零件的加工及设备 2.1 下轴铣床（立铣） 曲线形型面零件通常是在下轴铣床上按照线型和型面的要求，采用不同的成型铣刀或者借助于夹具、模具等的作用来完成加工的，一般是手工进料。加工这类零件必须使用模板夹具，模板的边缘做成零件所需要的形状。此时不需安装导尺以方便模板自由移动。工件夹紧在模板上，使模板沿刀轴上的挡环进行铣削，即可加工出与模板边缘相同的曲线零件。采用双模板铣削曲线型面零件，可提高生产效率。此外，应尽可能地顺纹理铣削，以保证较高的加工质量；对于曲率半径较小的部位或逆纹理铣削时，应适当减慢进料速度，以防止产生切削劈裂。 2.2双头下轴铣床（双立铣） 曲线形型面零件也可在大头下轴铣床（双立铣）（图1）上进行加工。双立铣床是由两个转动方向相反的刀轴组成，机床的两刀轴间距固定不变。切削加工时，将工件固定在模板上，并使模板边缘紧靠挡环移动来完成铣削，一般是手工进料。如果铣削过程中出现逆纹理切削时就应改用双头下轴铣床的另一个转向的刀头进行加工，从而实现顺纹切削，以保证较高的加工表面质量。由此可知，采用具有转动方向相反的两个刀轴的下轴铣床，能使操作者在不用更换夹具或机床情况下，根据工件纤维方向保持顺纤维方向切削，因此切削所得加工表面平滑，不会引起纤维劈裂，加工精度也较高。双立铣的工作台表面带有滑槽，如在其上面安装导尺，就能起到单头下轴铣床的作用。 图2所示的卧式自动双轴靠模铣床是生产实木桌椅、沙发的专用设备，该机有两个可以装配成型铣刀的刀轴（两刀轴间距可自动变化），加工时，只需将工件装在相应的模具上，由两个水平橡胶进料辊（可调节高度）压紧扣驱动，铣刀便可依据模具形状在工件两侧同时进行铣型。该铣床主要是依靠模具加工，模具的形状决定加工零件的线型，刀轴线始终处于弧面的法线位置，这与采用下轴铣床加工的结果完全不同。下轴铣床加工不可能使刀轴始终处于弧面的法线位置，因此铣出的型面很可能会移位。一般工艺过程是：先由细木工带锯配制出留有加工余量的变曲形毛料，然后在压刨上利用模具加工成弯曲零件或用下轴铣床加工其两个弧面，然后用卧式自动双轴靠模铣床加工两侧型面。该机同样也适宜加工实木弯曲或薄板胶合弯曲而成的弧形零件的两侧型面。图3所示为双轴自动靠模铣床的加工工艺过程。 2.4 立式自动双侧模铣床 图4所示为立式自动双侧靠模铣床，有双轴型、四轴型、六轴型以及八轴型等，该类铣床的加工原理和加工方法与上述自动双轴靠摸铣床（卧式）基本相似，只是各种类型的自动双侧靠模铣床的进料装置不是水平进料辊，而是立式（或直进式）进料架，它可以同时安装和加工几个工件，而且在铣型的同时还可以安装工件，能实现连续性铣型。目前，该类铣床在实木家具生产中是一种铣型效率较高的设备，其铣型加工的各类零部件如图5所示。 2.5回转工作台式靠模铣床 对于批量较大的曲线形型面实木零件，可以采用回转工件台式自动靠模铣床进行型面铣削加工。该类铣床的加工原理和中工方法是利用工件随回转工件台（或转盘）作圆周运动，通过铣刀轴上的挡环靠紧工件下的工模具完成的。其具体加工原理和工艺可参见宽面及板件型面的加工设备部分。 2.6镂铣机 对于加工曲率半径小的曲线形零件，可以在镂铣机（立式上轴铣床）上采用成型铣刀，并通过模具和工作台面上凸出的仿形定位销（又称导向销）的导向移动进行切削加工，一般每次的切削量较少，应多次切削才能完成。其具体加工原理和工艺可参见宽面及板件型的加工及设备部分。 3 宽面及板件型面零件的加工及设备 较宽零部件以及板件的边缘或表面如需铣削出各种线型和型面，如镜框、画框、镶板以及柜类家具的各种板件和桌几的台面板、椅凳的座靠板等，一般可在回转工件台式自动靠模铣床、镂铣机、数控镂铣机以及双轴铣上加工。 3.1回转工作台式自动靠模铣床 回转工作台自动靠模铣床（图6）又称自动圆盘式仿形铣床、或自动圆盘式仿型刨花机，属于上轴铣床。通常有1-2个铣刀轴，主要用于实木零部件及板材的边部或外边缘铣削加工。铣削量主要由挡环半径与刀具回转半径之差值所决定，铣削形状由所配的刀头形状决定。在回转工作台上装有模板，零件被安装在模板上之后，由压紧装置将它们压紧，挡环位于刀轴的下部，在气动或弹簧等压紧装置的压紧力作用下，模板的边缘紧靠挡环，随着工作台的转动，铣刀就能按模板的曲线形状对工件进行加工。模板应随零件曲线形状的改变而更换，工件的装卸和加工可同时进行，而且一个模板上一次可安装多个零件，所以生产率高，适合于大量生产。 图7所示为回转工作台式自动内径靠模铣床、又称自动圆盘式内径仿型铣或自动圆盘式内径仿型刨边机，有轻型和中型两种。该类铣床属于下轴铣床，其铣削加工方法与上述铣床基本相似，适合于实木零部件以及板材内径的铣削，如镜框、画框以及内弯零部件的加工等。 3.2 镂铣机： 镂铣机主要用于零件外形曲线、内部仿形铣削，花纹雕刻、浮雕等加工。其原理是将被加工零件与模板固定在一起，在可升降工件台面上有凸出的仿形异向销（又称定位销，一般伸出高为6mm），由于导向销的轴线与铣刀的轴线在同一中心线上，所以当模板边缘紧靠导向销移动，即可加工出所需的曲线形零件；如在模板的背面（靠近导向销的一面）预先加工出符合设计要求的仿形曲线凹槽（该仿形曲线能反映被加工图案的轮廓），根据花纹的断面形状来选择端铣刀，加工时模板内边缘沿导向销移动，则可加工多种纹样或式样的图案。图8所示为镂铣机加工各种零部件及导向销的安装方法。 3.3数控铣床（加工中心） 随着科学技术的发展以及数控、柔性和计算机技术的应用，在木工机械中镂铣机最早地采用了这些技术。数控铣床（图9），使自动化程度、加工精度、操作性能、生产效率等得到了进一步的提高。近年来，家具及木制品行业已广泛使用数控镂铣机。根据设定的程序，通过刀架（一般有2－8个刀架）的水平方向或垂直方向移动、工作台的移动以及刀头的转动，进行自动操作，在板件表面上加工出不同的图案与形状。 数控机床（NC）和计算机数控机床（CNC）等加工中心（MC），在家具及木制品生产中得到了较为广泛的应用，其原因是NC或CNC数控加工中心调节快、辅助工作时间短、加工精度和自动化程度高，可进行铣、钻、锯、封边、砂光等全套加工，实现三维立体化生产，一机多能。数控机床能按照工件的加工需求和设定的程序，自动地完成立体复杂零件的全部加工。因此，一台NC或CNC数控加工中心能满足现代家具企业对产品多方面的加工要求，并能迅速适应设计和工艺的变化，还能适应高效、高精度小批量多品种的生产。 木加工的数控加中心具有三个坐标轴，它们相互正交并可按编排好的程序同上运行。Z轴为传递切削动力的主轴，X轴为水平轴并与工件装夹面平行，Y轴可根据X、Z轴的运运按右手笛卡尔坐标系加以确定。坐标运动分配是指把数控加工中心所需要的坐标运运分配到刀具系统和工件系统中，一般可通过刀架的水平X轴或垂直Y轴方向的移动、工作台的多向移动以及刀头的转动等，实现工件的装夹、进给和切削加工。 数控机床或数控加工中心的结构主要有悬臂式和龙门式。其刀轴的排列方式通常有下列两种形式： 1）多轴平行排列形式。此型数控铣床：各铣刀轴间距固定排列，不带自动换刀功能，变化切削靠更换铣刀来完成。通常刀轴为2-12根（图10）。 2）单轴或双轴刀具库排列形式。这是目前家具企业常用的数控加中心，其刀具库有转塔式（配有4-8把刀具）、盘式（配有8-12把刀具）和链式（刀具固定在一特殊的周边），由计算机控制自动换刀（图11）。 数控木工加工中心，可通过电脑自动控制工件的运动、刀具的选择和更换刀具、以及按CAD设计程序的自动操作。为复杂的家具雕刻和铣型工艺自动化创造了良好的条件。待加工件由真空吸盘吸附使其稳固在工作台上，加工主轴上可安装锯片、铣刀、钻头、刨刀、砂轮等刀具，以实现锯断、起槽、铣槽、雕刻、倒角、刨削、钻孔、砂光等各种加工。图12为加工中心所实现的各种加工形式示意图。 3.4双端铣 是一种多功能的生产设备，其每侧配有多个水平或垂直刀轴，可以安装锯片、铣刀、钻头、砂光头等，进行截断、裁边、斜截、倒棱、铣边、铣型、开榫、起槽、打眼、钻孔、砂光等加工（图13）。一般用于实木零部年的端部锯切和端部铣型等加工，若使用成型铣刀（或成型砂光头），可在实木零部件的边部铣削型面或曲面（图14）。双端铣广泛用于地板的榫舌企口、实木门的齐边铣型、木质人造板精截边等加工。 4复杂外形型面零件的加工及设备 对于纵向和横断面均呈复杂外形型面或复杂曲线型体的零件，如鹅冠脚、老虎脚、象鼻脚、弯脚等，均可在仿型床上进行仿型加工。仿型铣床是铣削复杂形面木制零件的一种专用铣床，它是利用靠模或样模，通过铣刀与工件间所形成的复合相对运动来实现仿形加工，所以又称靠模铣床。根据铣刀形状的种类、铣削加工的方向和铣削零件的形状，仿型铣床可分为以下几种： 4.1杯形铣刀仿型铣床 采用杯形铣刀（或碗形铣刀）对工件外表面或内表面进行立体仿型铣削加工（图15），如脚型、弯腿、鞋楦、假肢等。其工作原理是按零件形状尺寸要求先作一个样模（可以是金履，木质或其它材料，要求有一定的强度和刚度），将仿型辊轮紧靠样模，样模和工件都绕自身轴线作同步回转运动，而安装在仿形刀架上的杯形铣恨，除主切削运动外（铣刀回转运动轴线与工件回转运动轴线相平行），仿型刀架还随仿型辊轮一起同步摆动，使铣刀沿工件纵向（轴线方向）和横向（半径方向）的作同步进给运行，仿型辊轮滚过样模的过程也就是铣刀同步铣削工件的过程，从而将工件加工成与样模形状尺寸都完全相同的复制品。 有些杯形铣刀仿型床还带有砂光装置，在铣削成型后可对型面进行砂光处理。根据被铣削工件的排列形式不同，杯形铣刀仿型床有立式和卧式两种（图15-16）。其刀架上一般装有2个以上（立式多为3-6个，卧式多为4-16个）铣刀头（直径为100-250mm），每个铣刀头上都安装3个杯形铣刀（刀刃圆弧直径为26mm或40mm），一次可同时铣削多个零件（加工直径常为75-250mm，加工长度常为130-800mm）。 4.2柱形铣刀仿型铣床 利用各种圆柱形雕刻铣刀（端铣刀），既可对工件外表面进行立体仿型铣削加工，也可根据样模形状，在板状工件的表面上铣削各种不同花纹图案或比较复杂的型面（即表面仿型铣削）等，通常又称为仿型雕花机。 该类仿型铣床与杯形铣刀仿型铣床的区别：一是采用柱形铣刀和仿型销针代替杯形铣刀和仿型辊轮；二是铣刀回转运动轴线与工件回转运动轴线相垂直。除此之外，其工作原理与杯形铣刀仿型铣床基本相同。该类仿型雕花机有手动和自动铣削加工两种类型，手动仿型雕花机可以安装2-16铣刀进行同时加工，自动仿型雕花机最多可同时加工36个工件，（图17-18）。 仿形铣床的操作方法是调整好样模及工件之间的相互回转位置，并用顶尖或卡轴顶紧和固定，以保证样模和工件同步回转。加工完毕后，先进行铣刀复位，然后退回顶或卡轴，最后卸取工件。 仿形铣床所能加工零件的形状受到仿型辊轮（或仿型销针）曲率半径的影响，同时也受到加工时杯形铣刀（或柱形铣刀）的曲率半径影响，换言之，加工曲线的曲率半径要大于仿型辊轮（或仿型销针）的曲率半径，杯形铣刀（或柱形铣刀）的刀妨曲率半径要小于被加工曲线的曲率半径。仿形铣床加工时，零件的加工质量和加工精度主要决定于样模的制造精度、铣刀的刀刃曲率半径大小、以及铣刀与工件之间的复合相对运动是否协调一致。仿型铣床的生产率取决于机床的自动化程度以及同时加工工件的数量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/28/2007)