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C6七星彩_七星彩玩法_昆明悦来家居有限公司
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第3章 制造过程

发布于:2020-07-30 17:21来源:admin 点击:
来源:C6七星彩玩法

家具制造过程是指将原辅材料经过系列加工后转变成家具产品的过程。木质家具的木质原材料可分为实木和人造板材两种。根据木质材料种类,木质家具种类分为实木型、人造板型和混合型。实木型家具与人造板型家具的加工机械、工艺、技术要求分别具有各自特点,混合型家具集合了实木型和人造板型家具的特点,因此本书以实木与人造板混合型家具的制造过程为主。

3.1 配料

重点内容: 加工余量概念及确定加工余量的方法;典型实木配料方案及优化;人造板配料方案及优化;木皮配料方案及优化。

配料是木质家具生产过程中重要的环节。配料主要任务是提高原辅材料的出材率和利用率,通过减少材料浪费来降低木质家具制造成本中的材料成本,同时还具有提高生产效率和生产效益的重任。

根据配料工艺的特性分类,配料分为锯材配料、板材配料和木皮配料等,其中板材配料主要指人造板配料,又称开料。

锯材配料提升出材率主要手段是合适选择配料工艺,优化配料方案和合理留出加工余量。人造板材配料提升出材率主要手段是优化配料方案和取消毛料配料。木皮配料提升出材率主要手段是优化木皮配料方案。

3.1.1 加工余量

3.1.1.1 加工余量概念

将毛料加工成形状、尺寸和表面质量等方面符合设计要求的零件时,所切去的那部分材料称为加工余量。将毛料与零件放在同一平面上,某尺寸方向上的毛料尺寸与零件尺寸之差为加工余量。

工序余量是为了消除上道工序所留下的形状或尺寸误差,从工件表面切去的那部分材料。工序余量为相邻两工序的工件在某个尺寸方向上的尺寸之差。

总加工余量是为了获得形状、尺寸和表面质量都符合于技术要求的零部件时,从毛料表面切去的那部分材料。配料时主要控制总加工余量。

总加工余量等于各工序余量之和。总加工余量也等于基准面第一次、第二次加工时的加工余量与相对面第一次、第二次加工时的加工余量及修整余量之和,其中第一次加工余量主要指零件的加工余量,第二次加工余量主要指部件加工余量和部件的修整余量。

如果零件装配成部件后不再进行部件加工和修整时,总加工余量就等于零件加工余量。若零件装配成部件后,为消除部件的形状和尺寸的不正确,还需再进行部件加工或修整时,总余量应包括零件加工余量和部件加工余量,即第一次加工余量、第二次加工余量和修整余量之和。

如图3.1-1所示,当不需要进行部件加工的零件,在厚度和宽度上只考虑基准面和相对面的第一次加工余量及最后的修整加工余量。

图3.1-1 零件加工基准面与相对面

装配成部件后,厚度上需要进行部件加工的零件,厚度上的加工余量包括毛料加工成零件的加工余量和部件加工余量。所以,配料时,毛料厚度上所留的总余量应为基准面第一、第二次加工余量,基准相对面第一、第二次加工余量以及表面修整余量之和。

如果组成部件后,外周边需要再加工或铣成型面,则毛料宽度上的总余量应包括基准面的第一次加工余量,基准相对面的第一、第二次加工余量和表面修整余量。如图3.1-2所示。

图3.1-2 部件加工示意图

如果原料为湿料时,总加工余量还应增加湿胀干缩余量,即总加工余量等于零件加工余量、部件加工余量、修整余量和干缩余量之和。为了家具能够正常使用,其所采用材料一定是干燥材才能保证生产出的家具品质稳定。如果所用原材料是湿材,则加工余量中还应该包括湿毛料的干缩余量,具体干缩余量数值需要根据不同的树种、不同的纹理方向、木材含水率、木材使用地平衡含水率等来确定。详细内容请参见木材干燥相关书籍。

3.1.1.2 加工余量与加工精度及木材的损耗

加工余量、加工精度及木材损耗三者间是辩证统一的关系。若加工余量值太小超过了允许范围,加工时出现废品的概率就会大大增多,主要特征是零件可能因加工余量过小而达不到设计要求,如外形尺寸或表面粗糙度达不到设计要求。虽然此时减少了切削木材损失量,但是废品增多会使木材损失总量增加。同理可知,加工余量过大,虽然废品率可以显著降低,表面质量也能保证,但木材损失仍然会因为切削过多而增大,且生产效率也会降低,因此合理确定加工余量就显得尤为重要,具体见图3.1-3。

图3.1-3 加工余量与木材损失关系
1—废品损失 2—余量损失 3—总损失

加工余量与加工精度的关系:如果加工余量过大,且一次切削时,切削量大引起刀具刚度降低,整个工艺系统弹性变形加大,从而使零件的加工精度和表面质量降低。如果切削量小,通过多次走刀切削完成,则不适合实现连续化和自动化生产,又会降低生产率,增加动力消耗。如果加工余量过小,为了保证加工质量,必须提高准备工序的质量,提高机器设备自身的精度,延长机床调整时间,生产率也将会降低。

如果总加工余量仅包含零件加工余量,就要求零件加工与装配精度都非常高,即零件组装成部件或产品时均符合设计要求,此时生产辅助时间会大大增加。当零件总加工余量包含零件加工余量和部件加工余量和修整余量时,零件生产时的生产辅助时间会减少,生产效率会提高。

因此,唯有正确规定加工余量,才能合理利用木材,节省加工时间和动力消耗,充分利用设备能力,保证零件的加工精度、表面粗糙度和产品符合要求,并有利于实现连续化和自动化生产。

零件或部件总加工余量的确定,需要先确定组成总加工余量的各工序加工余量值。工序余量的确定方法有两种:计算分析法和试验统计法。根据实际生产工艺特点,设备具体条件,零部件质量标准,产品结构特点等因素进行计算分析或统计而确定,鉴于各企业实际情况不同,因此其确定的加工余量也不完全相同。多数企业主要采用统计法,凭经验反复进行修正而得出的加工余量比较适用。

3.1.1.3 影响加工余量的因素

影响加工余量确定的因素很多,本书阐述主要因素,而且指总加工余量,具体如下:

(1)尺寸误差:尺寸误差主要指在配料过程中,毛料与零件之间在尺寸上发生的偏差。例如,当配料时所选用的锯材规格和毛料尺寸不相衔接,或配料过程中锯口位置发生偏移都会产生尺寸误差。尺寸误差应在基准面和相对面加工过程消除,使零件获得正确的尺寸。部件(拼板、木框、箱框)误差主要表现在胶拼和装配过程中,由于零件本身的结合部位的加工误差造成了部件的尺寸误差,因此部件的尺寸需要再次加工,所消除部分为部件尺寸误差。将形成凹凸不平和尺寸上的误差,也可称为装配误差,必须包含在基准面和相对面的第二次加工余量中并予以消除。

尺寸误差主要决定于加工设备的类型及状态,如切削刀具精度和磨损程度,以及毛料本身的物理力学性质等,同时也受到加工者操作的影响。

(2)形状误差:形状误差表现为零件上相对面的不平行度,相邻面的不垂直度和零件表面不成一个正面(凹面、凸面及扭曲等)。

零件形状的最大误差主要发生在干燥和配料过程中。木材干燥过程中是木材内部应力的变化过程,因此容易造成被干燥锯材的变形,如翘曲、弯曲、扭曲等。

形状误差通常在基准面和相对面中消除,即形状误差值包含在第一次加工余量中,随着第一次加工余量的消除而消除。

(3)表面粗糙度误差:在将锯材变成毛料的锯解过程中,往往会在毛料的表面留下锯痕、撕裂等加工痕迹,同时毛料再通过刨削和铣削加工过程又会在表面上留下旋转刀头所形成的波纹或砂光留下的砂痕,这些就是所谓表面粗糙度误差。

表面粗糙度误差可以用零件表面微观不平高度值来确定。锯解表面的微观不平度对加工余量影响最大,随着加工过程的进行,后续工序的微观不平度逐渐减小,工序余量也随之逐步缩小。如果配料时采用刨削锯片锯解,表面的微观不平可以明显地降低,同时也有利于以后刨削、铣削和磨光工序余量的缩小。

(4)安装误差:安装误差是工件在加工和定位时,相对于刀具的位置发生偏移而造成的误差。产生安装误差的原因在于模具和夹具的结构、精度、刚性,以及安装基准的选择不当等。

(5)最小材料层:木质材料在加工过程中需要切去一层材料,当此材料层为最小时就是最小材料层。如锯机锯解时最小材料层为锯路损失再加上1mm左右的材料层,否则会跑锯。由于木材具有弹性,所以刨切量需要大于最小材料层才能把材料刨掉。

影响加工余量的因素主要是与被加工材料的质量、被加工表面质量要求、加工设备的精度、加工工序的多少等有关。

我国目前在木家具生产中采用的加工余量为经验值。如厚度上或宽度上取3~5mm;对于短零件取3mm;1m以上的长零件取5mm。长度上加工余量为5~20mm;对于带榫头的零件取5mm,端头没有榫头的零件取10mm,用于整拼板的取15~20mm。阔叶树材毛料的加工余量应比针叶材毛料取得大些。

复习思考题

1.加工余量的概念是什么?

2.影响加工余量的因素是什么?如何影响?

3.加工余量与木材损耗关系是什么?

3.1.2 锯材配料工艺

按照零件尺寸规格和质量要求,将锯材锯割成各种规格和形状毛料的过程称为锯材配料。

配料是实木家具生产过程中的第一道工序,它的工作水平直接影响到产品的质量、材料的利用率和劳动生产率,是一个关键工序,因此往往被实木家具制造企业视为利润的重要来源之一。

实木零件配料的对象主要是锯材和集成材两种。锯材的厚度和宽度的规格非常多,标准长度规格为4m,但是也有2m和1.5m或更短的锯材,其宽度的幅面有限。集成材的规格主要是体现在厚度上,标准集成材的规格是1220mm×2440mm。实木零件主要指以天然实木和集成材为原料加工而成的零件,例如家具的框架、腿、档、立柱、嵌板、望板、面板等零件。

3.1.2.1 横纵法

横纵法是指将毛边板或整边板先截断,然后纵解成需要的规格毛料的配料方法。

横纵法配料如图3.1-4所示。根据毛料的长度尺寸和板材缺陷位置综合考虑横截的位置。在将板材横截成短板同时考虑截去不符合技术要求的缺陷部分,如开裂、腐朽、死节等,然后再用锯机将短板纵解成毛料。横纵法配料优点是便于车间内运输,同时便于加工操作。缺点是在截去缺陷同时会带掉可使用木材,同时由于手工操作,合理匹配毛料长度与板材缺陷间距是一件比较复杂的事情,因此导致配料出材率低。

图3.1-4 毛边板横纵法配料

横纵法配料常用横截设备有高速截断锯、悬臂式圆锯机(手拉锯)、精密推台锯等。短板纵解设备有:修边锯、万能圆锯机、精密推台锯、细木工带锯机等。

横纵法配料难易程度决定于锯材的质量等级。当板材影响零件使用性能的缺陷越多,则此方法配料的出材率越低,主要是毛料与无缺陷材料尺寸之间的匹配较难,但此方法比较灵活,适合多种规格在同锯材上配料。

3.1.2.2 纵横法

纵横法是指将毛边板或整边板先纵解,然后再横截成需要的毛料的配料方法。

纵横法配料如图3.1-5所示。根据锯材的宽度和毛料规格尺寸锯解成若干木方,然后再根据毛料的长度要求横截成毛料。纵横法在剔除缺陷时损失有用木材比较少,因此该种方法出材率比较高。与此同时,在横截成毛料之前,物料还是比较长的,因此配料车间占地面积比较大,而且厂内运输比较困难。

图3.1-5 毛边板纵横法配料

纵横法配料常用设备有多锯片纵解圆锯机、修边锯、悬臂式圆锯机(手拉锯)、优选锯、精密推台锯、推台锯等。

纵横法配料比较适合毛料规格尺寸比较单一的配料方式,特别适合大批量生产。纵横法比横纵法能提高出材率6%。

3.1.2.3 预刨法

预刨法是指在锯材被配料锯解上进行刨削的配料方法。预刨法是为满足高品质家具对于原材料的高品质需求,如色差、青变(或其变色)、纹理和细小裂纹均可以在预刨削中发现,并且避免混入生产过程中给企业造成更大的浪费。有色差或青变等缺陷的毛料有两种选择,其一是将色差接近的毛料一起加工最终组装在一个产品,减少产品零部件之间的色差差异;其二将有青变的毛料加工成颜色深的、不重要部位、可以遮挡的部位的用料。

预刨法常用设备:除了上述两种配料方法常见锯解设备外,该方法还增加了双面刨或单面压刨等设备。在锯材弯曲度和不平度较大时,为了提高出材率,可以先横截后再刨削、再纵解的工艺。如果锯材基本平整,可以先刨光再纵横法或横纵法配料。

预刨法配料的特点是增加了刨光工序和选择工序,因此从表面上看延长了生产周期,增加了成本,但实质上是减少了损失,因为不合格锯材可以被加工成其它家具产品,而不需要参加后续的生产过程,继续造成浪费。对于某些缺陷如节子、钝棱、裂纹等可以按照用料要求所允许的限度,在配料时予以保留或进行修补,以提高出材率。

如果试图通过预刨来代替后续的基准面和相对面的加工,只适合一些加工要求不高的零部件,这样可以减少了加工工序,如内框之类的零件,在毛料加工时只需加工其余两个面即可。对于尺寸精度要求高的零件,必须还得进行基准面和相对面再加工,才能获得正确的尺寸和形状。

3.1.2.4 划线法

划线法是指将毛料形状制成模板(纸质或薄板)在锯材上进行预排列并划线标记,然后再依所划线标记进行锯解的配料方法。划线法适合曲线型零件的配料,其实划线法就是套裁。划线法又分平行划线法和交叉划线法两种。

平行划线法是指把锯材的缺陷先行剔除,然后再根据模板进行划线标记,再依线而锯。平行划线法比较适合同一宽度(或厚度)规格的大批量弯曲毛料或异形毛料的配料。此法配料方便,且生产率高,但出材率稍低。

交叉划线法主要是指根据毛料的规格、形状和质量要求,先在锯板面上按套裁法划线,然后再锯解的配料方法。交叉划线法锯解困难,但是与平行划线法相比能提高出材率9%。

交叉划线法的划线示意图,如图3.1-6所示。

图3.1-6 交叉划线法

平行划线法常用设备有推台锯、精密推台锯、细木工带锯机。交叉划线法常用设备是细木工带锯机。平行划线法比交叉划线法在配料车间占用场地面积更小,更容易操作,运输更方便。平行划线法的示意图,如图3.1-7所示。

图3.1-7 平行划线法

划线法提高出材率的关键是避免了锯解时临时仓促决定锯路的位置而影响了锯材的出材率,所以实际操作时需要有专人负责划线工作,随着划线人员经验的积累,锯材的出材率会进一步提高。

根据弯曲零件或异型零件的特点,同时结合锯材的特点进行划线,可以进一步提高出材率,如充分利用锯材节疤、钝棱等缺陷。

3.1.2.5 拼板法

拼板法配料是指将可利用的板条拼成一定规格的集成材,再锯解或划线后再锯解成需要毛料的配料方法。

弯曲零件的配料采用拼板法更能提高出材率。如图3.1-8(a)是一块板配一根椅子后腿的示意图,其出材率低,即能配成10根后腿。图(b)为拼板后再配料,则同样尺寸的板材能够多4根或更多。弯曲程度越大,则拼板后出材率提高得越多。

图3.1-8 椅子后腿配料图

拼板法主要将可利用的板材或方材拼成拼板,或指接后再拼成集成材后,增加了规格尺寸为套裁打下基础。如图所示拼板可以是不等宽物料和不等长物料,只需要将其最大可利用部分充分利用好为原则。如果是配弯曲零件或异型零件,则需要增加划线工序才能保证出材率。如果是配普通方料,则只需要直接锯解即可。有研究表明:拼板(或集成材)的规格尺寸与弯曲零件之间套裁存在着一定的关系,即当弯曲零件确定后,需要事先设计套裁方案,然后再决定拼板(或集成材)的规格则出材率最高。

拼板法配料常用设备有多锯片圆锯机、优选横截锯、修边锯、指形榫开榫机、接长机、双面刨、细木工带锯机、平刨、单面压刨、精密推台锯等。

常见拼板法配料方法:

- 购买集成材-套裁(划线)-锯解(细木工带锯机、修边锯)。

- 锯材余料-基准-指形榫-涂胶-接长-基准-拼宽-划线-曲线锯解。

拼板法配料比较适合弯曲型零件和异型零件。拼板法通过短料接长实现了短料长用的目的,通过窄料拼宽实现窄料宽用的目的,为套裁打下了基础,只要拼板规格符合套裁设计的最佳规格,则出材率一定是最高的。

3.1.2.6 优选锯法

优选锯法配料是指将带有缺陷的锯材,经过优选锯精准而且与毛料规格尺寸优化匹配后的锯解,得到最优结果的配料方式,如图3.1-9。

图3.1-9 优选锯配料

优选锯法配料主要是通过精准的锯解,减少了横截过程中的加工余量。通过锯材料缺陷之间的规格尺寸与零件的规格尺寸匹配优化,提高了毛料的出材率。优选锯法不适合无缺陷和不顺直规整的锯材,主要因为无缺陷锯材采用优选锯来优化就没有优化的优势了,且设备投资大,因此不如其它方式配料。如果锯材不顺直规整,则不适合输入优选锯送料和截料。优选锯法配料常用设备有多锯片圆锯机、横截优选锯、纵解优选锯等。

优选锯法配料方法:

- 最佳产量法:根据事先数据库中毛料规格参数,扫描录入优选锯中的数据进行匹配,找到产量最大的方案并执行。

- 最佳效益法:根据长的零件比短的零件价值高的规律,事先分别设定其价格,优选锯优化价值最高的一种方式进行锯解。

- 最佳质量法:根据事先设定的零件等级和锯材缺陷的等级之间的匹配,经过优选锯的优化得到最适合的配料方案。

优选锯法配料适合现代家具企业发展的需求。根据企业的特点可以选择最佳模式进行配料,同时还可以与服务器联网实现生产指令和生产数据网络化传输,为信息化生产打下基础。

3.1.2.7 毛料出材率

锯材配料的材料利用程度可用毛料出材率来表示。毛料出材率是毛料材积与锯成毛料所耗用的成材材积之比。

影响毛料出材率的因素很多,如毛料尺寸与锯材尺寸的匹配程度;加工零件尺寸和质量要求;配料方式与加工方法以及所用锯材的规格与等级;操作人员技术水平;采用何种设备和设备的加工精度等。

3.1.2.8 方案优化

(1)配料原则:根据产品质量要求和特点,合理选择材种、等级、含水率、规格尺寸和缺陷等因素,同时还需要合理确定加工余量、配料方式和加工工艺。按产品质量要求合理选料。

①产品结构、产品技术要求和零部件功能决定其用材标准。例如:桌面、台面、门等可视部件与背板等非外观零部件,对于材料的要求不同,“外观可视”零部件要求高质量材料,而“非可视”零部件则可用次之材料;实木弯曲椅子腿与普通实木椅子腿对于材料的要求也是不同的,因此一般着重考虑木材的树种、等级、含水率纹理方向和木材缺陷分布情况等因素,在保证产品质量的前提下节约使用优质材料,合理使用低质材料,提高毛料出材率和劳动生产率,做到优质、高产、低消耗。普通产品用材原则为“优材优用,低材低用”,通常其外观可视零部件和起支撑作用零部件为关键零部件,应该采用优质材料。

高级家具对树种、纹理、颜色、木材缺陷等都有更高的要求,如树种统一,且不分内外;纹理协调统一,且能纹理衔接;基本无色差;没有木材缺陷,因此高级家具的出材率要较普通家具的出材率低。

②锯材的含水率应符合产品的技术要求。锯材含水率是否符合产品的技术要求,直接关系到产品的质量、强度和可靠性。合格的木材干燥应该是其含水率内外均匀一致,无内应力(或残余应力在许可范围内),且其含水率应与该产品使用地的木材年平均不平衡含水率相一致。气候湿润的南方与气候干燥的北方,要求材料的含水率要控制在不同的范围内,北方要求含水率低一些,否则家具的榫头会与榫眼脱开。南方应该含水率高一点,否则容易使零件变形或破坏家具结构。

③锯材规格尽量与毛料规格相匹配。锯材规格匹配主要是指其厚度和宽度是否与毛料相当。如果锯材的宽度和厚度都与毛料匹配,则配料时只需要考虑长度因素;如果锯材的厚度与毛料厚度或宽度匹配,则配料时只需要将宽度纵解成毛料的尺寸,再考虑长度因素,如果宽度是毛料的倍数毛料,则配料效率更高;如果锯材规格尺寸都与毛料的规格尺寸不匹配,则配料时出材率和生产效率都低。

倍数毛料是锯材的某尺寸是毛料某尺寸若干倍数与其若干锯路之和。如果锯材宽度是毛料宽度的倍数毛料,假设是2倍关系,纵解锯材一次得到两个符合毛料宽度的毛料。倍数毛料与生产效率有关。当短小或窄的零件超出某机器加工范围时,可以配成倍数毛料在该机器上加工,然后再剖分成单独毛料。

将进厂原料的规格配成毛料的规格,只是长度上是倍数毛料关系,则配料工序只需要横截,该方法配料是出材率最高,生产效率也是最高的,不难看出某尺寸的倍数毛料配料是提高出材率和生产效率有效途径。

(2)典型优化方法:

- 长材长用,短材短用。

我国是根据树干长度造材,即标准锯材长度为4m。根据树小头直径制材,会有大量板皮产生,再通过利用板皮可以得到短一些的锯材,因此配料时应该充分利用这些资源。家具零件规格统计研究表明,近80%的零件长度短于1.5m,因此可以充分利用通过板皮得到的短锯材。

具体方法:统计产品中零件长度分配比例,再根据分配比例采购锯材。

- 二次拼料法。

- 采购匹配法。

家具产品经常会出现异形零件。如果一次拼成需要该零件的最大外形尺寸拼板,还要再锯掉多余部分,因此容易造成出材率下降。如老虎脚可以分两次配料,第一次把老虎脚主体配料完成,然后再把两个侧翼胶合上去。实木大衣柜的底座,也是两个拼板才能保证出材率高,而且第二次拼板的规格都比较小的,节省成本。

采购匹配法主要指充分利用采购板材的厚度和长度规格尺寸资源。

3.1.2.9 提高出材率的措施

如何提高毛料出材率,做到优材不劣用,大材不小用,是配料时重视的问题。在生产实际中可考虑采取以下措施。

①认真实行零、部件尺寸规格化,使零部件尺寸规格与锯材尺寸规格衔接起来,以充分利用板材,锯出更多的毛料。

②配料时,截断锯上的操作人员应根据板材质量,将各种长度规格的毛料搭配下锯,纵解时可以将不用的边、角材料集中管理,供配置小毛料时使用,根据试验也可节省木材10%左右。

③操作人员在配料时,必须熟悉各种产品零部件的技术要求,在保证产品质量的前提下,凡是用料要求所能允许的缺陷,如缺棱、节子、裂纹、斜纹等,不作过分的剔除,但是对于高档的家具则要全部剔除。

④有些产品和部件,在不影响强度、外观及质量的条件下,对于材面上的死节、树脂、裂纹、虫眼等缺陷,可用挖补、镶嵌的方法进行修补,以免整块材料被截。

⑤一些短小零件,如线条、拉手等,为了便于以后加工和操作,在配料时可以配成倍数毛料,先加工成型后再截断或锯开,既可提高生产率,又可减少每个毛料的加工余量。

⑥规格尺寸大的零件,根据技术要求可以采用小料胶拼的方法代替整块木材,这样既能保证强度,减少变形,又可提高木材利用率。

工厂习惯于计算出材率不是分批统计零件出材率,而是加工出一批产品后综合计算出材率,其中不仅包括直接加工成毛料所耗用的材积,也包含锯出毛料时剩余材料再利用后的材积,因此,实际上是木材利用率。各工厂的木材利用率因生产条件、技术水平和综合利用程度不同而有很大的差异。如果采用计算机管理,对于批量生产的零件进行集中配料,则会大大提高出材率。

复习思考题

1.6种锯材配料方案各自特点及适应范围是什么?

2.如何优化锯材的配料方案?

3.典型提高出材率的措施是什么?

3.1.3 板材配料方案

板材配料过程是出材率与生产效率平衡过程,因此产生了诸多种开料方法。

3.1.3.1 单一开料法

单一开料法是指每块人造板材只锯解一种规格零件的开料方法。

图3.1-10所示,机构1为划线锯,机构2为大锯片,该图是电子开料锯或精密推台锯的锯解示意图。开料是锯解示意图,特别针对MFC板材的开料,带有划线锯可以防止崩边,主要是通过划线锯将三聚氰胺饰面预先切割,避免大锯片锯解时切割该部位的三聚氰胺饰面,因为直接用大锯片锯解容易产生顶破此处的三聚氰胺饰面出现崩边现象。图3.1-11所示为单一开料法的裁板示意图,其阴影部分为余料。除非零件的标准化程度比较高时,通常该种方法出材率比较低。

图3.1-10 开料锯锯解示意图

图3.1-11 单一开料法

单一开料法设备:纵横锯、电子开料锯、自动往复锯、精密推台锯等。

从裁板示意图可知,单一开料法所锯解的零件规格是比较单一的,换言之,其调机、定位、首件确认和工人学习图纸等动作所占生产时间很小,因此该方法的生产效率比较高,特别是零件数量比较大时,可以大多块板材一起开料时,生产效率更高。通常该种开料方法的出材率比较低,但是被锯解的零件规格经过以出材率为核心的优化,则零件的出材也会很高。

单一开料法是一种比较简单的开料方式,适合发展初期、开料操作者缺少开料经验及管理水平比较低下的家具制造企业。如果企业标准化水平和优化水平比较高的企业,板材的出材率已经能够控制在相当高的水平,此时可以采用这种方法来提高其生产效率。

3.1.3.2 人工套裁法

人工套裁法是指将需要锯解的零件经过人工排列组合得到一种优化方案的开料方法。

图3.1-12为人工套裁裁板示意图,与计算机优化相似,只是计算机优化程度更高,优化工作是计算机完成,人工套裁优化是人工凭经验。套裁增加了裁板的规格尺寸数量,从而降低了生产效率。阴影部分为余料,优化程度越高,阴影部分越小。

图3.1-12 套裁开料法

人工套裁法设备:纵横锯、电子开料锯、自动往复锯、精密推台锯等。

从人工套裁裁板示意图可知,能够经过人工套裁的零件数量往往是比较少的,通常为2~3种零件。由于是人工优化,所以优化的效果比较有限。当长期从事少数几种零件加工时,人们可以从经验中总结出一套简单规则进行优化其开料方案。对于超出其优化经验的零件,以及没有形成优化经验之前,均不能通过人工套裁得到最佳出材率。人工套裁的出材率决定于套裁优化人员的经验,因此对于套裁人员要求比较高。

人工套裁主要适用于有经验的开料企业。

3.1.3.3 优化开料法

优化开料法是指把需要锯解的零件经过计算机优化软件优化后得到裁板图,再根据裁板图进行开料的方法。

优化开料法裁板示意图如同3.1-13所示。计算机优化板材规格更多,范围更广泛。

图3.1-13 后上料电子开料锯

优化开料法设备:纵横锯、电子开料锯、自动往复锯、精密推台锯等。

从优化开料法裁板示意图可以看出,优化开料法优化零件数量比较多,而且出材率比较高。优化开料法的出材率高是因为零件规格不同的差异性,将它们进行排列组合后,从无数种方案中优选出出材率最高的裁板方案,即优化开料裁板图。优化开料法对于操作人员要求比较低,开料人员只需要根据裁板图进行开料即可。

优化开料法适合生产管理比较规范的企业,具有一定的计算机应用基础的企业。

3.1.3.4 方案优化

(1)优化的原则:

①出材率优先原则。在板材开料过程的优化重点是考虑出材率,即保证出材率最高为最佳选择。在家具生产过程中,原材料的成本占总制造成本的重要比例,因此节约材料是降低成本的重要影响因素。出材率提高不同于利用率提高,出材率是指一块标准板材能出多少可直接使用的零件,而利用率是指除了被当成废物以外的物料都称为利用,因此被用作包装垫条也被称为利用,垫条的价值与零件的价值本身就是完全不同,垫条可以采用其它材代替,而零件则不可以。

②生产效率优先原则。在板材开料过程中开料的生产效率也是影响成本的重要因素。生产效率低,其人工成本一定会高,总制造成本必然会高,因此考虑生产效率也是情理之中的事情。标准板材的规格是固定的,为了提高出材率一定是大小多种规格零件混合排料才能保证出材率,所以锯解过程一定会增加辅助时间,降低生产效率。当提高生产效率后所带来的利润足以抵消损失材料的费用,则企业会选择生产效率优先原则。

③生产管理优化原则。家具企业的生产管理还未实现现代化管理,实现现代化管理还有不少的障碍,因此生产管理优化也是不可忽视的重要因素。家具企业应该在生产效率和出材率两者之间找到一个平衡点,才能有效地实现生产管理。如果企业已经实施了计件工资,必须同时考虑出材率因素对生产的影响才能真正使企业收到实效。

(2)优化方法:

①以零部件规格定板材规格。零件规格与板材规格之间的匹配关系是影响出材率和生产效率的重要因素,因此在产品定型,其零件部件规格相对比较稳定的情况下,根据倍数毛料的原理,计算出对应的板材的规格进行定制,既能满足出材率的需要又能满足生产效率的需要。如果板材规格与零件规格是单倍毛料的关系,则生产效率和出材率都达到了最大值,但需要综合考虑其成本因素。

②优化软件优化。计算机软件可以考虑多因素多水平的综合优化方案,而且可以预先计算多种可能,将需要开料的规格和数量经过优化软件优化后,就能得到优化后的最佳出材率方案。

③因素配料优化。为了能够找到出材率与生产效率之间平衡点,需要考虑多种因素。当需要考虑生产效率时,每块板材的零件规格种类就是越少越好,零件规格可以是倍数毛料。当需要考虑出材率时,每块板材的零件规格种类就是越多越好。

复习思考题

1.人造板材配料方法及特点是什么?

2.如何优化人造板的配料?

3.1.4 木皮配料方案

3.1.4.1 木皮配料

木皮配料是指根据家具零部件的贴面工艺需要而选料和裁切的过程。合格的木皮配料必须满足长度尺寸、宽度尺寸、厚度尺寸、纹理、色差、树种、缺陷程度等因素的生产需求。

贴木皮工艺分湿贴和干贴两种,其中湿贴工艺要求木皮厚度小于0.3mm,干贴工艺要求木皮厚度不小于0.3mm,一般为0.4~0.6mm。木皮配料与家具品质要求有关,越高档的家具对于选料要求越高。选料主要考虑树种是否满足家具定位需求,纹理、色差和缺陷是满足工艺的需求。如果高档家具要求花纹要对纹理,或无色差,或无缺陷时,则需要特别精细选料,可以充分利用木皮原有的刨切顺序。

木皮配料主要控制木皮的长度尺寸和每贴木皮的宽度尺寸。木皮的规格比较多,如长度为4m、3m、2m、1m以下等,宽度为15cm、20cm、30cm等,等级为AAA级、AA级、A级和统货等。

木皮配料工艺:确定木皮树种-选择纹理-确认色差-确认缺陷-确定零件尺寸与木皮配料关系-横向裁切木皮-纵向裁切木皮-木皮拼缝或拼花。

3.1.4.2 典型配料

(1)先长后短:木皮配料主要确认木皮的长度和宽度与零件需求的匹配关系。通常根据零件长短的区别,先满足长度较长的零件的长度方向配料需求,因为木皮越长越难得,余料待用。

配短零件需用木皮时,从余料中选取适合零件长度需求的木皮,再横向裁切。如果没有余料或余料不适合零件长度的需求,则在木皮整料中横向裁切短零件需求木皮。

(2)等分配料:木皮配料过程中,确定了木皮长度后,还需要确定木皮宽度。

确定木皮宽度的方法:根据零件的宽度来确定木皮宽度。当木皮宽度满足零件配料宽度时,只需要把木皮裁成需要宽度即可。当零件宽度远宽于木皮宽度时,根据零件宽度和加工余量,来等宽裁切木皮,此种木皮配料方法操作方便,木皮纹理呈对称,但是木皮出材率比较低。

3.1.4.3 方案优化

(1)长短搭配:长短搭配配料主要是最大化地利用木皮整料长。根据木皮长度和零件长短搭配的关系,选择木皮出材率最高的一种方案作为木皮配料方案,这样就可以在木皮长度方向上得到最大限度的利用。

(2)宽度最大化配料:宽度最大化配料是相对于等宽木皮配料而言,即充分利用每幅木皮的宽度,而且是最大化地利用每幅木皮宽度,不足整幅木皮宽度再配半幅木皮来保证配料尺寸,此法适合直纹理木皮配料。

复习思考题

1.典型木皮配料方法是什么?

2.如何提高木材的出材率?

3.2 毛料加工

重点内容: 毛料六面加工方法及设备特点;毛料加工优化方案。

毛料加工的任务和目的是将配料所得到的毛料加工成外形尺寸符合要求。毛料加工主要是加工基准面、基准边、相对面、相对边和长度精截。通过毛料加工能够得到符合要求的外形尺寸,主要是去除加工余量、干燥引起翘曲等变形、锯解误差等。毛料加工手段是刨削和锯解。

3.2.1 毛料加工概念

毛料是指将留出合理的加工余量的锯材通过锯解而得到的板方料。毛料外观往往粗糙度值比较大,因此需要刨削加工得到光洁度高的刨削表面。

基准面是指用于作为精确加工定位基准的表面。作为加工基准的边为基准边。与基准面相对的表面为相对面,一般是通过定厚刨加工得到。与相对边相对通常为相对边。

方材是指木材横断面的宽度与厚度比值小于2的木材。板材是指木材横断面的宽度与厚比值大于2。木材的长度是指顺纤维方向的尺寸。

家具产品加工过程中,基准可以用点面线来表示。为了增加准确程度,通常采用平面来作为基准,即基准面。基准面主要包括主平面、侧面和端面三个面,基准面的选择与设备类型和零件本身有关,基准面数量也是如此。零件加工精度要求越高其基准面的精度要求也越高。当零件加工精度要求不高时,可以在加工基准面的同时加工其它表面。

3.2.1.1 基准面选择原则

正确选择和确定其准面,必须遵守下列原则:

①必须根据不同工序的要求来规定基准。

②在保证加工精度的前提下,尽量减少基准的数量,以便于加工操作和提高加工精度。例如在压刨上进行定厚尺寸加工时,只需确定合适表面作为基准,就能够达到加工要求;在工件上钻孔时,为了保证孔的位置精度,则必须取它的三个面作基准,限制其6个自由度,才能保证加工精度;精密推台锯横截加工,需要至少两个表面作为基准,另外一个作为辅助基准或基准才能完成加工。

③尽量选择较长,较宽的面作基准面,以保证加工时工件的稳定性。

④尽可能选用工件的平整表面作为基准面。

⑤曲线形零件的基准确定,应选择凹面作为基准面。

⑥应尽可能采用经过精确加工的面作为基准。只有在锯材配料等少数工序才允许使用粗表面作为基准,例如,四面刨加工工件可以采用下表面作为粗基准面。

⑦选择工艺基准时,应按照“基准重合”的原则,将设计基准作为加工时的定位基准,避免产生基准误差,因为精度再高的机床也是有加工误差的。

⑧需要多次定位加工的工件,应按照“基准统一”的原则,尽量采用对各道工序均适用的同一基准,以减少加工误差。例如,对椅子的后腿,在基准面加工后,无论是在压刨加工后腿的相对面,还是采用下轴铣床加工侧边曲面,以及钻孔或打眼加工都采用同基准,则有利于加工精度和装配的准确性。若在工序中需变换基准,应建立新旧基准之间的联系。定位基准的选择,应便于工件的安装和加工。

3.2.1.2 基准面(边)加工

目前生产中普遍采用平刨加工基准面,它可以消除毛料的形状误差,为获得光洁平整的表面,应将平刨的后工作台平面调整与柱形刀头切削圆母线在同一平面上,前、后工作台须平行,两台面的高度差即为切削层的厚度,是一次走刀的切削量。

平刨加工,一次刨削的最佳切削层厚度为1.5~2.5mm,具体数值根据零件的树种、材料的硬度及加工质量所决定。材料硬度较大或加工质量要求较高时,走刀量较少为佳。若走刀量超过3mm,将使工件出现崩裂和被加工表面出现波纹,这是由于振动引起的,因此,当被加工表面的最大轮廓高度R y 值较大时,必须通过几次刨削加工(即多次走刀)以获得精基准面,特别是手工进料不宜一次走刀的切削量过大。

目前在生产中使用的平刨大多数是手工进给,其劳动强度大,生产效率低,而且操作很不安全。机械进料的平刨虽然可以避免上述问题,但是目前常用的平刨机械进给机构,为了获得足够的进给力和平稳进料,而对毛料施加一定的垂直压力,致使自身翘曲不平,而且长、薄的毛料很容易暂时变为平直,当经过加工和压力解除后,毛料仍将恢复原有的翘曲状态,此时被加工的表面不宜作为基准面。为了保证加工表面符合做基准面的要求,平刨上的机械进料装置应当既能保证毛料沿平刨工作台平稳地移动,又必须使毛料不产生变形。现在平刨上采用的机械进料方式主要有弹簧销、弹簧爪及履带进料装置等,作为机床的独立部件而存在,其原理是对毛料表面施加一定的压力后所产生摩擦力来实现进给的。此外,在工作台面上抽真空的方法,使毛料压贴在工作台上,再用推杆来实现进给,该法往往因压持力不足,切削时可能使毛料产生振动,从而被切削表面的平整度不宜做基准。

平刨机床的手工进料操作要点:对于被加工毛料而言,一般是将被选择的表面先粗定为基准,此时是粗基准,经过切削后,及时将压持力转移到后工作台,此时基准面变为刚被加工的表面,且是精基准。注意及时将粗基准转换成精基准的关键是压持力及时从前工作台转移到后工作台,其主要目的是尽可能地提高加工精度。

平刨上加工侧基准面(基准边)时,应使其与基准面(平面)具有规定的角度,这可以通过调整导尺与工作台面的夹角来达到,参见图3.2-1。当基准面与基准边间夹角大于90°时,应当选择靠近导尺的零件表面作为基准面,经过多次走刀完成;当夹角小于90°时,不适合在平刨上加工,可以采用下轴铣床加工其基准边,参见图3.2-2。

图3.2-1 平刨加工基准面
1—工件 2—后工作台 3—刀辊 4—前工作台

图3.2-2 平刨加工侧面

在毛料加工工艺中,下轴铣床可以加工基准面、基准边及曲面。①加工基准面是将毛料靠住导尺进行加工,该种方法特别适合宽而薄或宽而长的板材侧边加工,此时可以放置稳固,操作安全。②加工曲面则需用夹具、模具,夹具样模的边缘必须与所要求加工的形状相同,且具有精确高和光滑度好等特点,毛料固定在夹具上,样模边缘紧靠档环移动就可以加工出所需的基准面,参见图3.2-3;③侧基准面的加工也可以在铣床完成,如果要求它与基准面之间呈一定角度,就必须通过使用具有倾斜刃口的铣刀,或通过刀轴、工作台面倾斜来实现。对于短料需用相应的夹具。当刨削毛料的侧边较长且数量较多时,可以用专用的刨边机,利用一个履带进料机构,将两个工件作相对方向进料,可以加工平的侧基准面,也可以加工不同断面的两个侧边,如实木柜玻璃门的边框加工,一边开出安装玻璃用的槽,一边可铣出平面。

图3.2-3 下轴铣床加工原理
1—导尺 2—铣刀 3—工件

基准面经刨削加工后,应检查加工面的直线度、平整度和相邻面之间的角度,并对机床作出相应的调整。

对于钻孔及打眼等工序往往需要端面作为基准,但是在配料时,所用截断锯的精度较低及毛料的边部不规整等因素都影响端面的加工精度,因此,毛料经过刨削以后,一般还需要再截端(精截),也就是进行端基准面的加工,使它和其它表面具有规定的相对位置与角度,使零件具有精确的长度。此项通常是在精密推台圆锯机(参见图3.2-4)和悬臂式万能圆锯机上加工(参见图3.2-5),双端锯(双端铣)机也可以很精确地加工两个端面,此时端面与侧边是垂直的,双端锯机不适合斜端面的加工,但对于宽毛料且两端面平行度要求较高时更加适合。双端铣多数是自动履带进料或用移动工作台进料。

图3.2-4 精密推台锯F92T加工斜面

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图3.2-5 悬臂式万能圆锯

3.2.1.3 端面基准面加工

精密推台锯F92T具有如下功能:可以通过特大清晰的液晶数字显示锯片的倾斜角度,范围为0~45°,精度达±0.1°,且无须试切浪费材料(F45型精密推台锯也有此功能)。同时采用的双边斜刻度挡板尺可在0~90°范围内调节,精度为0.25°,可以非常准确地加工材料的端面及其角度。该机床已经在横向挡板尺上和纵向平行挡板上采用了数字显示仪,横向能够在150~3200mm范围内以±0.1mm的精度快速设定,纵向能够在15~90mm范围内设定时会自动校正。

斜端面的加工可以用悬臂式万能圆锯机、精密推台锯(这种方法加工对于板材较宽更适合,例如集成材、拼板、人造板等)、木框横截圆锯KSD型具有转盘式加料器,并可以调整斜面(角度)的精确位置如图3.2-6所示。

图3.2-6 木框横截机
1—靠山 2—圆锯 3—零件
4—转盘加料器

3.2.1.4 相对面(边)加工

为了满足零件规格尺寸和形状的要求,基准面(边)加工之后应该进行其它几个面(边)的加工。一般是采用压刨加工其相对面(边),如图3.2-7所示。随着加工设备自动化及对生产率提高的要求,在加工出基准面后,可以采用三面刨加工其余三个面,也可以采用四面刨加工其余的表面。加工出基准面之后再用四面刨加工,目的是便于提高加工精度,因为被加工零件的其它面与其基准面之间具有正确的相对位置,从而能准确地加工出所规定的断面尺寸及形状,而且表面光洁、平整都能满足零件要求。当然不加工基准面也可以用四面刨一次达到完成零件表面的面和型要求,只是加工精度稍差,同时对于材料自身的质量要求也高(作为粗基准的表面相对平整,而且材料不容易变形)。用铣床也可以加工其余表面。

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图3.2-7 压刨床
1—进料辊 2—刀辊 3—出料辊 4—工作台 5—毛料

相对面的加工形式:

- 与基准面平行的平面,可以在压刨、四面刨等机床上加工。

- 与基准面不平行的平面,在压刨、下轴铣床上加工,但要采用模具或夹具配合加工。

- 相对面上有线型,则可以利用四面刨或压刨(要换相应形状的刀具),如果想利用铣床加工则必须完成基准边加工之后才行,也可以采用木线机进行加工。

在压刨上加工相对面,可以得到精确的规格尺寸和较高的表面质量。压刨机床有两种形式其一单面压刨,其二为双面压刨,常用的是单面压刨,单面压刨需要先加工基准面,而双面压刨则不需要先加工基准面。平压刨更适合于宽度较大的板材。单面压刨床主要调整项目有:

- 前后压紧器,上下滚筒与刀轴或工作台的相对位置的调整。

- 刨刀轴相对于工作台的平行度调整。

- 工作台的几何精度及在不同高度位置水平的调整。

- 压紧器和进给滚筒压紧力的调整。

在使用单面压刨时,用分段进料辊进料,既能防止毛料由于厚度的不一致造成切削时的振动,又可以充分利用压刨工作台的宽度,可以同时刨削几根毛料,提高生产率。加工时可用直刃刨刀或螺旋刨刀,前者结构简单,刃磨方便,故使用广泛。但在切削时,刀片瞬间接触毛料的整个宽度,切削力很大,引起整个工艺系统强烈的振动,影响加工精度,而且噪声也很大。使用螺旋刨刀加工时,是不间断的切削,增加了切削的平稳性,使切削功率大大减少,降低了振动和噪声,提高了加工质量。但螺旋刨刀的制造、刃磨和安装技术较复杂。

采用四面刨加工毛料有几种可能:

- 在平刨床上加工完基准面,然后再四面刨上加工其它几个面。

- 无须加工基准面,毛料直接在四面刨上加工四个面;如果毛料本身弯曲变形,则经过四面刨加工之后仍然弯曲,这主要是由于进料时进料辊施加压力的结果;如果毛料本身比较直,且毛料不容易变形则经过四面刨加工之后,可以得到符合要求的零件。

在铣床上加工相对面七星期规律图时,就根据零件的尺寸,调整样模与导尺之间的距离或采用夹具加工,此法安放稳固,操作安全,很适合于宽毛料侧边的加工。

与基准面成一定角度的相对面加工,也可以在铣床上采用夹具进行,但因是手工进料,所以生产率和加工质量均比压刨低。在压刨上加工与基准面交角较小的相对面零件更适合,但需要用模具。

综上所述,在刨床上进行毛料平面加工有以下几种方法:

- 平刨加工基准面和边,压刨加工相对面和边。此法的优点在于可以获得精确的形状,尺寸和较高的表面质量,但劳动消耗大,生产效率低。如果平刨采用机械进料,在一定程度上可以克服这一缺点,但受到毛料本身条件的限制。

- 平刨加工基准面,然后在三面刨上加工其它几个面。

- 平刨加工基准面,四面刨加工其它几个面,该种方法有利于提高四面刨加工的精度。

- 四面刨上一次加工四个面。此法要求毛料比较直,且不易变形,该方法生产率高。

- 利用平压刨分两次加工毛料的四个面。该方法比较浪费材料,但是操作较简单。

- 利用单面压刨几次调整基准面刨削可以完成四个面地加工,浪费材料,生产效率较低。

此外,某些断面尺寸较小的零件,可以先配成倍数毛料,然后按厚度(或宽度)直接用装有刨削锯片的多锯片圆锯机进行加工,虽加工精度稍低,但出材率和劳动生产率可以大大提高,从节约木材来考虑,这也是一种可取的加工方法。另外也可以采用多锯片圆锯机加工之后,再用双面压刨进行加工就可以得到符合要求的两个表面。当然也可以采用四面刨进行加工。

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。一般用形状精度和表面粗糙度来评定其加工质量,同一零件应能满足互换性的要求。净料的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工艺规程。

复习思考题

1.如何选择和确定基准面?

2.如何充分利用平刨特点快速加工基准面或基准边?

3.如何利用单面压刨加工相对面原理加工弯曲面的相对面?

4.单面压刨加工特点是什么?

3.2.2 毛料加工设备

3.2.2.1 基准面加工设备

基准面加工是毛料加工第一道加工,其质量关系到后续其它工序的加工质量,因此是毛料加工工艺中的非常关键工序。

(1)平刨:基准面加工主要设备通常为平刨。平刨加工的基准面应该是精度最高的基准面,而且材料消耗量也是最小,即可以用比较少的加工余量取得最好的加工效果。平刨通常为手工进料,因此存在一定的安全隐患。采用自动送料器可以增加平刨加工的安全性,同时还可以扩大平刨的加工范围,如更薄或更窄的工件均可以通过自动送料器来辅助完成。

平刨刨削宽度:400mm。

平刨最大刨量:2mm,通常0.5~1mm。

(2)修边锯:修边锯又称单锯片纵解圆锯机。如果修边锯采用“以锯代刨”的锯片,锯解后的表面可以直接用于板方材料的胶合,也可以用于开指形榫或接长的基准面。修边锯一般为自动送料,手工调整设备或自动调节设备,工件的辅助激光定位装置等,其中辅助激光定位装置能够帮助设备操作者准确判断工件下锯的位置,提高出材率和生产效率。

常见工件的厚度范围:10~120mm。

常见最短工件长度:120mm,修边时250mm。

常见最小锯切宽度:0.5mm。

3.2.2.2 相对面

(1)压刨:单面压刨是典型相对面或相对边的加工设备。压刨还可以加工弯曲基准面和弯曲的相对面,实现弯曲面的定厚加工,此部分内容在净料加工阐述。

常见最短工件长度:150mm。

常见最宽工件宽度:1200mm。

常见刨削量:最大走刀量5mm。

常见最大工件厚度:200mm或300mm。

(2)四面刨:四面刨是典型同时加工相对面和相对边的加工设备。四面刨通常采用四面同时加工,即基准面、基准边、相对面、相对边等同时加工。

常见最大工件宽度:250mm。

常见最大工件厚度:130mm。

常见最短工件长度:250mm。

常见最小工件厚度:8mm。

3.2.2.3 定长

毛料加工除了基准面(边)与相对面(边)加工外,还需要工件定长加工,即锯机加工端部基准面和其相对面。

(1)精密推台锯:通过定辅助基准后锯解工件某端面为基准面,然后再以此基准面为基准加工其长度的相对面,实现定长加工。如果加工端部为45°工件,则可以采用精密推台锯加工基准面和相对面,同时实现定长。精密推台锯加工范围为2440mm×1220mm或2440mm×2440mm。

(2)CNC优选锯:CNC优选锯主要根据板材缺陷分布状态,优选出最适合工件需求的匹配关系。优选锯锯解精度最高,锯解速度最快。

板材长度范围:200~6000mm。

板材厚度范围:15~100mm。

板材宽度范围:30~180mm。

复习思考题

1.为什么单面压刨加工工件有最小长度要求?

2.采用双端锯为什么比普通圆锯给工件定长更精准?

3.2.3 优化方案

毛料加工涉及设备种类比较多,如锯类、刨削类等。每种设备又能再细分为若干种类型,因此不同设备配合来完成毛料加工任务就成为优化。优化的目的有多种,如以生产效率、加工精度和出材率等因素而优化。

3.2.3.1 加工精度优化

用平刨加工基准面,然后再用四面刨加工基准边、相对面和相对边或对应的线型。因为平刨提供了精基准,所以四面刨加工其它几个面精度就比较高。定长加工采用双端锯精截,包括双端为45°的工件定长。

用平刨加工基准面和基准边,然后再用单面压刨来加工相对面和相对边。该种方法加工精度高,且出材率高,但是生产效率低,而且安全系数低。

3.2.3.2 生产效率优化

①四面刨一次成形。该种方法生产效率高,但是容易受被加工工件原有形状误差影响,即工件原有形状误差较大,则容易造成加工精度稍低的现象。

②双面刨-双面刨。该种方法生产效率高,但是加工余量大,否则容易造成废品。

③双面压刨加工基准面和相对面,再用修边锯加工基准边和相对边。

3.2.3.3 出材率优化

①平刨加工基准面和基准边,然后再用单面压刨来加工相对面和相对边。特点如加工“精度优化”所示。

②平刨加工基准面,修边锯加工基准边,单压刨加工相对面和相对边。

复习思考题

1.以加工精度为优化目标时,如何确定毛料加工方案?为什么?

2.以生产效率为优化目标时,如何确定毛料加工方案?为什么?

3.以出材率为优化目标时,如何确定毛料加工方案?为什么?

3.3 胶合

3.3.1 胶合概念

重点内容: 典型胶黏剂特性,锯材拼宽和接长工艺,素板与MFC胶合工艺,胶合工艺影响因素分析。

胶合就是把胶黏剂涂于被胶合的表面,在一定的工艺条件下把两个或两个以上的材料胶合到一起,并使之具有一定强度的过程。木材胶合是指将木材用胶黏剂连接到一起,成为具有某种强度的一体木材的过程。胶黏剂种类比较多,有树脂胶黏剂、蛋白质胶黏剂等。胶黏剂种类不同所表现的本身的物理和化学性质不同,其胶合后的胶合性能也各不相同,因此要根据被胶合材料性质、胶合性能要求合理地选择胶黏剂种类。

从理论上来看,优良的胶合性能要求胶黏剂能与被胶合材料能紧密地结合在一起。胶黏剂与被胶合材料之间靠机械结合、物理吸附、相互扩散和形成化学键等作用而产生黏附力,其中胶黏剂对材料部分浸润,极性分子与极性分子或非极性分子与非极性分子之间,当分子的距离极小时出现作用力,并形成化学键的作用即所谓电子吸附理论;同时,木材是一种多孔性材料,胶液扩散和渗入木材表面孔隙中形成胶钉,产生机械结合作用即所谓胶钉理论。胶钉理论在木材胶合中有着非常重要的作用。

木材胶合在实木加工中占有重要位置。木材胶合主要用于板方材的长度、宽度和厚度等方向的胶合。如果家具生产过程中的拼板,能实现窄材宽用。指接材的短材长用,同时产品质量稳定,符合家具制造和建筑上结构件的需要。

3.3.2 胶黏剂

无论是集成材,还是普通板方材胶合,其质量的主要影响因素是所用胶黏剂性能及其胶合工艺合理性,其中胶黏剂性能直接影响到胶合产品的质量、强度、后期加工的性能,及其耐久性,因此要合理选择胶黏剂。

传统胶黏剂是指动物蛋白胶和植物蛋白胶,常见的是皮骨胶。随着化学工业的发展合成树脂胶黏剂的应用变得越来越广泛了,例如常见的是脲醛胶、酚醛胶、聚醋酸乙烯乳液等。无论传统胶黏剂,还是新型胶黏剂都应该了解其胶合的原理才能真正的掌握胶合特性。

3.3.2.1 胶黏剂选择

常用木材胶合的合成树脂胶黏剂有以下两大类型:热固性树脂胶黏剂,热塑性树脂胶黏剂。

热固性树脂胶黏剂的固化是通过在胶液中加入固化剂后产生聚合化学反应,从而使胶黏剂得到固化,例如,脲醛树脂胶、酚醛树脂胶、三聚氰胺树脂胶和间苯二酚胶等;热塑性树脂胶黏剂的固化是物理过程,如通过挥发胶黏剂中水分或溶剂以及冷却胶层得到固化,其胶合强度与被胶合试件的含水率和温度有关,例如,聚醋酸乙烯酯乳液胶和热熔胶等。

在木材与木材或与木质材料胶合时,常用的胶黏剂有:脲醛树脂胶、酚醛树脂胶、聚醋酸乙烯酯乳液胶、动物胶、热熔胶(EVA、PUR)、水性异氰酸酯树脂胶以及三聚氰胺树脂胶和间苯二酚胶,见表3.3-2。三聚氰胺树脂胶和间苯二酚胶是国外常用胶种,间苯二酚胶呈深色,且两者价格均较高。酚醛树脂胶、间苯二酚胶和三聚氰胺树脂胶具有良好耐水性,可用于室外木制品、货车车厢等制品。耐水性胶黏剂属于不可逆的热固性胶黏剂。脲醛树脂胶耐水性中等,基本无色,因此主要用于室内。脲醛树脂胶中摩尔比不同则游离甲醛的散发量不同,低摩尔比的散发量较少,可同时以在脲醛树脂胶中加入捕捉剂来减少游离甲醛的散发量,效果不错。室内应该是低游离甲醛散发的或无游离甲醛散发,以满足人们对身体健康的要求。

表3.3-2 木材与各种材料胶合所用适合胶种

①考虑被胶合材料的性质、特点及产品质量要求。

②考虑生产条件、成本等因素,具体地说就是应选用价格低、常温下固化、调胶方便、活性期长、便于操作、耐热性好、污染小、对刀具磨损小的胶黏剂。

③考虑材料之间的热胀冷缩、湿胀干缩的不同,胶黏剂应具有可塑性,才能减少胶合界面的破坏。如橡胶胶黏剂以及常温固化的胶黏剂。

④考虑使用要求:胶合强度、耐水性及耐久性、耐热性、耐腐、耐污染性及加工性。

⑤同一种胶黏剂,其胶黏剂的原料配比及生产工艺不同,胶黏剂的特性变化很大。可参考其固体含量、黏度、胶液活性期、胶液固化条件及固化时间等指标。

⑥不污染木材,不使木材材质劣化。

⑦pH在中性范围内较好。

3.3.2.2 胶黏剂性能

常用胶黏剂的基本性能见表3.3-1。

表3.3-1 常用胶黏剂的基本性能

注:橡胶类胶黏剂主要指氯丁、丁腈类橡胶胶黏剂。

(1)三聚氰胺树脂胶:三聚氰胺树脂和甲醛在碱催化剂作用下,生成羟甲基三聚氰胺为主要成分的胶黏剂。特性与脲醛树脂相类似,但在常温下不会固化。耐水和耐热性与酚醛树脂相接近。常温下活性期较长,固化时需要65℃以上热压。在120~130℃可以不需催化剂而固化。纯三聚氰胺树脂保存期很短,但是与脲素共缩合树脂的木材胶黏剂则保存期长。加脲素的固化时间为2.5~3h。

(2)环氧树脂胶黏剂:属于反应型胶黏剂,在10℃以下固化时间长,在高温下活性期限变短。溶剂为甲苯、混合二甲苯、甲乙酮、醇、醚类等,用于稀释和擦拭。涂胶量:多孔表面为400~450g/m2 ,非多孔体或平滑表面为250~300g/m2 。从胶接到固化,胶接位置不能移位。环氧树脂胶黏剂的典型固化剂:速固化(芳香族磺酸)固化时间为2~5min,活性期为1~2min,胶接强度低;室温固化(第一级胺)固化时间为2~4h,活性期为30min,用于大表面的建筑用横梁的胶接;高温固化型(芳香族胺)固化时间在120℃温度下2h,活性期为12h,高温时的胶接强度大。

(3)间苯二酚树脂胶黏剂:该胶为紫红色的黏稠液。温度为15~40℃,活性期为10~200min,当温度升高时变得更短,若为延长活性期而减少固化剂用量,就会使与间苯二酚结合的甲醛不足,形成交联密度低,胶接强度低,但可以通过调整pH来延长活性期即pH为3~4。一般是在20℃以上进行固化,但是在10℃也可以。被胶接材为碱性时,会阻碍固化,其胶接的耐久性较强。

复习思考题

1.木材胶合的机理是什么?

2.如何选择木材胶合用胶黏剂?

3.常用胶黏剂的基本性能是什么?

3.3.3 胶合工艺

普通的胶合工艺主要是用在木材的宽度或增厚或增长上的胶合。

3.3.3.1 拼宽

宽度与增厚基本上同属于顺纹拼板性质,因此可以归为同类。涂胶胶合形式主要有:侧面平面胶合、侧面穿条胶合、槽簧结构胶合等形式。采用平面胶合对于侧面来说比较经济、实用。平拼接合是先将小方材侧边刨平后,一般采用平刨进行加工,再涂胶拼接而成,这种方法称为“毛拼”,主要用长度不长,板面平整的毛料,如椅子的座面等。拼宽时要尽可能地注意木材年轮的排列方向,年轮的排列影响到拼宽后板材的几何形状稳定性,如图3.3-1所示年轮排布是比较合适的,其排布原则:考虑木材的弦向与径向收缩不一致,弦向干缩系数是径向的两倍,同时利用其不一致达到应力平衡。板材拼宽形式有如图3.3-2所示的多种形式,既可以采用先接长再拼宽,也可以将长材直接拼宽。加工时其侧向和垂直方向都要加压,其中垂直方向加压主要是使板面平整。方式可以机械齐平,也可以手工敲平。毛料之间的含水率偏差应控制在1.5%~3%。

图3.3-1 板材拼宽

图3.3-2 拼宽的方式

榫槽拼宽主要用长料的胶拼,先刨出基准面,然后利用铣床铣侧边,也可以利用四面刨进行加工,当然四面刨加工必须保证其加工精度,否则拼缝不严。中间插条形式拼宽是家具生产过程比较常见的拼宽方式。

常用的胶黏剂有:动物胶、聚醋酸乙烯乳液、脲醛树脂胶及其改性胶。

可采用手工刷涂、辊涂及喷涂等方法,主要是冷压加工方式。加压的方式有:手工利用丝杆螺母加压或采用气压、油压、楔形块等形式,目前采用比较多是间歇式拼板机如图3.3-3所示,它主要是在拼板机上组坯、加压然后使胶固化完成生产。机械加压拼板的侧向压力为0.7~0.8MPa,板面的压力为0.1~0.2MPa。

图3.3-3 两种常用拼板机

目前采用较多的设备为油压式和气压式拼板机。拼板对象:整块木条或接长方材,拼板需要有至少三个面被刨光,且达到拼缝严密程度。如果基准面和相对面被刨光也可以拼宽,但被拼方材间高低不平,拼宽后板材的出材率低,而且不容易压平。加压方式液压或采用气动扳手或旋转丝杆螺母夹紧。胶黏剂需要是冷压胶,即能够在常温下固化胶黏剂。

拼宽工艺:木材干燥/干燥窑→配料/锯机→基准面/平刨或双面刨→基准边/修边锯→相指形榫/指形榫机→涂胶/手工或喷胶或辊胶→接长/接长机→基准面和相对面加工/双面刨→选料/人工→涂胶/机械或手工→陈化→拼宽/拼板机→加压/机械或手工→陈放→检验→入库

本拼宽工艺是以短材或余料为对象的拼宽工艺。如果拼宽工艺对象是整木条,则拼宽工艺中的指接部分就不需要了。

3.3.3.2 接长

接长分为对接、斜面接合和指形榫接合等形式,如图3.3-4所示。

图3.3-4 纵向接长材的接头类型
(a)斜面接头 (b)带阶梯斜面接头
(c)指形榫接头(水平)
(d)指形榫接头(垂直) (e)对接

对接为木材端面接合,由于木材是多孔体材料,所以其端面胶合面积小,胶合时实际接触的面积更小,所以该种形式的胶合强度最低,有时在板式部件的芯材时会采用。

斜面为半纤维方向接合,所以与对接相对其强度有所增加,增加的幅度主要取决于斜面的面积,即斜面长度越长则接触面积越大,强度也越大。斜面的斜坡受到加工机械的加工范围限制,即斜坡越长加工难度越大,同时材料浪费也相当严重。

增加胶合面的实际接触面积是增加胶合强度有效方法,因此也可以采用如图3.3-4(b)等形式。不难看出图3.3-4(b)的接触面积增加还是相当有限的。

指形榫是增加胶合有效接触面积,且节省材料的最有效方法,特别是微形指形榫效果更加明显。指形榫能在有限的长度内最大限制地增加接触面积,所以强度相对而言也是最高的,指形榫的长度越短越节省木材。

指形榫主要有三角形和梯形两种形式。三角形指形榫指长主要为4~8mm,属于微型指形榫接合。指接材一般常用梯型榫。指接材的抗弯、顺纹抗拉,抗压强度以及抗冲击性能都随着指形榫长度加长而增强。指接木材密度以0.35~0.47g/cm3 为宜。指接木材的要求与集成材的要求相类似,即用同一树种或选用材性相似、密度相近的树种混合使用,含水率应一致,符合胶合工艺的要求,一般为10%~12%。

指接材对于原材料的尺寸要求:长度120~2000mm;宽度最小为20mm,针叶材最宽为250mm,阔叶材最宽为120mm;厚度为20~100mm。

指形榫加工有两种方法:用下轴铣床或专门的铣指形榫机械(开指机)加工,如图3.3-5所示。当采用流水线进行生产时,其主要工艺:准备好已经四面被加工成符合要求的小木条→利用运输带快速移动来墩齐→水平和垂直方向夹紧→利用圆锯片齐头→加工指形榫→反向墩齐→利用圆锯片齐头→加工指形榫→涂胶→加压指接→加热固化

图3.3-5 指形榫加工示意图

尽管流水线上开指机的加工形式比较多,但是加工原理是相同的。图3.3-6所示为其中之一,工作原理:挡板、齐头圆锯、指形榫铣刀头和小运输带都可随工作台一起移动。挡板将工件拦截,此时运输带仍然对工件施加摩擦力,促使每一个工件向挡板墩齐,然后工作台移动,首先齐头圆锯将已经在水平和垂直两个方向夹紧的工件齐头,其次铣刀头铣出指形榫,最后运输带将流水线上两个运输带接通,将一端铣好指形榫的工件运到另一个运输带上(与前一个墩齐快速移动运输带相同,只是运转方向相反),以便对工件的另一端进行相同的加工。开指机采用的铣刀一般为组合铣刀,成形铣刀用的较少,组合铣刀便于维修。

图3.3-6 指接流水线

涂胶主要分为室内、室外两种类型。室内常用的为:脲醛树脂胶、聚醋酸乙烯酯乳液等;而用于室外主要有:酚醛树脂胶、间苯二酚甲醛树脂胶等,其中酚醛树脂胶不适合于气干密度大于0.7g/cm3 的木材胶接,间苯二酚甲醛树脂胶不适合于气干密度大于0.75g/cm3 的木材胶接。

加热比较适合采用高频、微波加热,因为加热速度快,十几秒钟就能满足要求,同时也适合形状复杂的零件,但是被加热材料要具有极性分子,因为高频加热和微波加热都是利用极性分子的摆动,摩擦产生热量进行加热的,它们是里外一起热,并且具有选择性,即对极性分子产生作用,极性分子吸收大部分热量。所采用的胶黏剂大多数都是水溶性,而水分子是极性分子,大部分能量被水分子吸收了,所以热效率高,加热速度快。高频发生器的工作频率不得小于27MHz,输出电压不得低于6.5kV,输出功率不得少于5kW。

过去普遍采用指长为20~30mm的指形榫,20世纪70年代后,欧洲发明了短指榫,称为微型指形榫。在日本主要是9~12mm的微型指形榫。斜率为1/7.5的指形榫可以用作结构用接头。指底的宽度和指距的比与指形榫接合时木材横断面接合宽度的总和和材料宽度之比大致相等。如果该比值大,对接部分占的比例就大,接合有效率降低,所以要尽可能的减少该比值,同时考虑到铣削刀具的寿命、相对切削阻力、刀尖刚性等诸多影响切削的因素,所以结构用指形榫应该是:指底的宽度/指间距=0.1为最佳。

我国根据指顶宽与指距之比(用W 表示)来划分指形榫类别。当W ?0.17为Ⅰ类,当0.18?W ?0.25时为Ⅱ类。指形榫类别不同,表示负载类别不同。I30-G表示指长为30mm的Ⅰ类指形榫,等级为优等品。具体出口产品标志方法可参考GB11954中的第9条的规定。

如图3.3-7所示,当(a)的指形榫的t 1 逐渐减少到较小的值时,该类型的指形榫则容易加工,纵向加压时产生破坏,并且定位困难;但是对于(b)类型的指形榫则不存在这样的问题,定位容易。

图3.3-7 指形榫参数与结构图
L —指长 P —指距 S —接合间隙
t 1 —指尖的宽度 t 2 —指底的宽度

标准指形榫生产,垂直于木纤维的夹持侧压力不允许超过以下限值:针叶材2MPa,阔叶材3MPa。具体如表3.3-3所示。

表3.3-3 标准指形榫接合时需用的端向压力

微型指形榫的纵向压紧力:针叶材4~8MPa,阔叶材8~14MPa;普通的指形榫的纵向压紧力:针叶材2~3MPa,阔叶材3~5MPa。

接长工艺:木材干燥/干燥窑→配料/锯机→基准面/平刨或双面刨→基准边/修边锯→相指形榫/指形榫机→涂胶/手工或喷胶或辊胶→陈化→接长/接长机→加压/机械或手工→陈放→检验→入库

3.3.3.3 集成材

集成材工艺与拼板工艺没有本质的区别,两者均是木材纹理的侧向和纵向胶合,但是还是有一些具体区别。

- 拼板通常是本厂某特定需求的工艺过程,所以拼板规格通常为定制;集成材是商品,其规格通常为2440mm×1220mm。

- 拼板侧重整条木方的胶合,而集成材侧重短材接长后再拼宽胶合。

- 拼板表面根据需要确定是否砂光,集成材表面必须砂光或刨平。

随着大径级材的减少,集成材变得越来越重要,它是替代天然锯材最佳材料。集成材可以完全当作天然锯材来使用,如实木家具的面板、支撑零件等,板式家具的刨切薄木等。集成材是用剔除木材缺陷的短料接长后,按木材色调和纹理配板胶合而成的规格板材。

集成材具有天然锯材的属性,但是集成材性能却优于天然锯材,主要表现如下:

- 集成材与天然锯材同样具有各向异性的特点。

- 集成材尺寸稳定性优于天然锯材。集成材是小材大用、劣材优用、狭材宽用、短材长用的典范,因此破除大块天然锯材的生长应力,所以胶合后尺寸更稳定。

- 集成材比天然锯材的利用率更高。集成材是小块材利用结果,对于缺陷剔除是非常精准的,天然锯材含有缺陷,在利用时损失好材料多于集成材,所以集成材的利用率更高。

- 集成材制造过程增加选料工序,因此集成材色差要比天然锯材色差更容易控制。

集成材工艺:木材干燥/干燥窑→配料/锯机→基准面/平刨或双面刨→基准边/修边锯→相指形榫/指形榫机→选料/人工涂胶/手工或喷胶或辊胶→接长/接长机→基准面和相对面加工/双面刨→选料/人工→涂胶/机械或手工→陈化→拼宽/拼板机→加压/机械或手工→陈放→裁切幅面/双端锯或双端铣→表面砂光/宽带砂光机或宽压刨→修补/手工→检验→入库

(1)材料:为了保证产品质量和产品的加工性能,集成材几个方面材料要求如下:

- 集成材适合的树种主要有的针叶材及气干密度小于0.75g/cm3 的阔叶材。常用柳安、桐木、杉木、柞木、水曲柳、榆木、桦木、落叶松等树种。

- 集成材要求尽量采用同一树种或气干密度差为0~0.2g/cm3 材料为佳,避免采用容重和收缩率差别很大的不同树种混合胶合。

- 集成材厚度有多种规格,一般在10~18mm范围内。板材太薄,出材率低,胶黏剂用量大,产品成本高;板材太厚,干燥困难,胶合时易产生压力不均匀现象。

- 集成材用料的含水率直接集成材性能,一般控制在8%~13%,具体视胶黏剂种类、胶合条件和树种而定。

- 集成材用料的板与板之间的含水率差应控制在1.5%~3%以内,含水率差值控制得越小,则集成材尺寸稳定性越好。

- 集成材要求剔除木材缺陷的标准根据产品的质量要求而确定。如日本农林省2053号标准中对Ⅰ等材规定:节子长径10mm以下,无死节,裂纹长度20mm以下,虫眼长径2mm以下,腐朽、变色、树脂道等缺陷要求极轻微等。

(2)集成材用胶黏剂:异氰酸脂、木粉胶、聚醋酸乙烯酯乳液、脲醛胶等,其中水性异氰酸脂是比较理想集成材生产用胶,但其价格比较高。木粉胶应用比较广泛。

(3)集成材的指接要求:指形榫加工、涂胶、加压、胶合和定长截断五个工序均要符合集成材生产要求才能保证集成材质量。

- 指形榫接合处外表美观,即指形榫侧结合严密,指形榫顶端无间隙。

- 指形榫的指形榫顶宽度较大,一般要达到0.8~1.2mm。

- 为保证指接材刨削后,指形榫侧面的胶缝垂直板面,一般采用带有5mm指形榫榫肩的指榫,防止劈裂。

为了保证指形榫顶部无间隙,必须调整指形榫的嵌合度,即调节加工指形榫的锯片与铣刀的相对位置。嵌合度根据树种不同而异,一般为0.05~0.2mm,在变换树种,更换刀具或刀具刃磨以后,都要求严格进行嵌合度的调节。

(4)指形榫接长:一般在常温条件下胶合,加压时间控制在2s以上,压力根据树种和指形榫来决定。指形榫胶合后,在室温下堆放1~3天,使胶固化和内应力均匀后,再进行下道工序的加工。

具体参数如下:

- 短指形榫指接:指长为5~15mm;针叶材4~8MPa;阔叶材8~14MPa。

- 长指形榫指接:指长为15~45mm:针叶材2~3MPa;阔叶材3~5MPa。

(5)集成材用料加工:对锯材进行刨削加工,刨削平面不得有压痕、烧痕、凹凸等加工缺陷,刨削面的波纹宽度在2mm以下,锯材各部分的厚度偏差在0.4mm以下。

(6)配板:主要掌握几个原则。

- 锯材纹理应按年轮反向配置。

- 允许的木材缺陷尽量配置在制品的不外露处。

- 层积时相邻两块方材或薄板指接接头需错开配置。

(7)集成材胶合:

- 涂胶量:单面涂胶量为150~250g/m2 ,双面涂胶量为200~300g/m2 ,低容量木材涂胶量选上限。

- 陈化时间:一般为5~15min。

- 胶合温度:一般在常温(20~30℃)和中温(40~60℃)条件下胶合,温度不宜低于10℃。

- 压力:针叶材和软阔叶材为0.5~1MPa,硬阔叶材为1~1.5MPa。

- 加压时间:加压时间根据胶种、固化剂添加量和胶合温度决定。在常温条件下用水性高分子异氰酸酯胶合时,加压时间为40~50min。

- 陈放:在温度15℃以上,放置3~5天后才可投入下道工序加工。

(8)集成材修补:集成材表面上的节子、裂纹、伤痕等缺陷要进行修补,其方法是或钻或铲,去掉缺陷部分,喷射快速固化胶,填充相应的木块或木丝,使其黏补牢固。

3.3.3.4 素板胶合工艺

素板胶合基本与方材胶合相同,但是要侧重考虑素板自身特点,如素板出厂时未经表面砂光时,其表面带蜡层,影响胶合强度。素板的厚度方向的胶合特性类似锯材横截面,因此在胶合时要求采用插条增加强度。

(1)素板增厚胶合工艺:素板准备→素板裁切/锯机→素板砂光/宽带砂光机→涂胶/涂胶机→陈化→组坯/手工→加压/冷压或热压→陈放→检验→入库

(2)素板拼宽胶合工艺:素板准备→素板裁切/锯机→素板开槽/下轴铣床或上铣床或CNC等→涂胶/手工或喷胶→插条涂胶/辊涂或刷涂→陈化→组坯/手工→侧向加压/冷压或高频热压→陈放→检验→入库

3.3.3.5 MFC胶合工艺

通常MFC板不再需要胶合,但是特殊情况还是可以胶合的。单面MFC板的胶合,双面MFC板胶合。双面MFC胶合的强度相对比较弱,不能用于作为承重件来制造。胶黏剂通常为UF胶或MF胶。

(1)单面MFC板胶合工艺:MFC板准备→裁切/锯机(带划线锯)→素板表面砂光/宽带砂光机且定厚→涂胶/辊涂或刷涂或喷涂→陈化→冷压/冷压机→陈放→裁板/锯机或铣床→封边→修边→检验→入库

(2)双面MFC板胶合工艺:MFC板准备→裁切/锯机(带划线锯)→MFC砂光/琴键砂光机或手工细砂→涂胶/辊涂→陈化→组坯/手工→冷压/冷压机→陈放→裁板/锯机或铣床→封边→修边→检验→入库

复习思考题

1.试比较分析木材拼宽与素板增厚工艺异同点。

2.试比较分析MFC与素板增厚工艺异同点。

3.木材接长工艺中保证接合强度的措施是什么?

4.集成材的工艺是什么?

3.3.4 影响因素

3.3.4.1 原辅助材料

树种不同其材质也不同,胶合强度也不相同。

(1)树种和密度:木材胶合强度与其密度有关。如果不含有阻碍胶接的物质,其胶接强度和木材的密度成直线关系。这是由于密度与木材的空隙度和自身的强度有关。导管粗大的木材,容易产生缺胶现象,较难形成连续的胶层,或因胶层厚薄不均而使胶层的内聚力减小,导致胶合强度降低。

(2)心、边材:当心材中含有树脂成分或其它抽提成分过多时,胶接性能就比边材差。

(3)年轮和晚材率:由于年轮密度影响木材的密度,所以也就影响胶接强度。针叶材的晚材比早材胶接强度差,这是由于晚材中的抽提物所致。

(4)胶接面的纹理:木材是各向异性的材料,胶合表面的木材纤维方向不同,胶合强度也不同。端面胶合比平面胶合困难,这是由于渗透到导管中的胶量多,胶合表面实际接触面积小的原因。平面胶合时,两块胶合材料的纤维方向平行时要比互相垂直时的胶合强度大,旋切单板正面与正面的胶合强度高于与背面胶合的胶合强度。

(5)胶合表面的粗糙度:被胶接面越光滑,涂胶量就越少,在低压时也易得到良好的胶接。被胶合的表面粗糙时,涂胶量多,应加大胶压压力。对此适当使用填充剂是有效的措施,目的是减少胶液的流失。它与木材表面的加工方法、胶黏剂性能以及胶合工艺条件等均密切相关。由试验得出结论:胶合表面需经刨削、磨削加工,表面越平整光洁,用胶量越少,压力较低时的效果更好,表面粗糙,则需增大放胶量,或在胶液中加填料,才能满足生产的需要。通常胶拼表面粗糙度R y =200~300μm。

(6)木材的含水率:木材含水率过高,除使胶液黏度降低,过多渗透,形成缺胶,降低胶合强度以外,在胶合过程中还容易产生鼓泡,胶合后木材收缩,产生翘曲、开裂等现象。反之,木材干燥过度,表面极性物质减少,妨碍胶液湿润,影响胶合层的胶合力。用脲醛树脂胶胶合时,木材含水率在5%~10%时,胶合强度最高。胶合后的部件含水率与强度也有密切关系,通常木材的含水率应为8%~10%。有的胶黏剂可以在较高的含水率的情况下胶合,但是胶合以后被胶合的材料仍会变形。GB11954标准规定,木材一般含水率为8%~15%,最佳为12%,生产者或使用者具体选择应根据GB6491中的规定及附录A地区平衡含水率的有关规定。

(7)木材的抽提物:阔叶材心材导管中的侵填体,对胶合性能没有什么影响,但是能用水、碱、有机溶剂等抽提出的物质,对胶合性能有很大的影响。这是由于它们可能影响到胶的pH,从而影响胶的胶合,同时也可能阻碍胶的反应。对于不同的树种要选择不同的胶种,例如苏北的杨树pH高,就需要对普通的脲醛胶进行改性。

3.3.4.2 胶合工艺条件

胶合通常安排放在工件的成型加工之前,否则可能由于材料的变形,胶合的错位等缺陷,而造成废品。胶合工艺条件对胶合质量的好坏影响相当重要,而作为胶合材料,则应当能使胶合层的各处强度均等而且持久。

(1)涂胶量:以胶合表面单位面积的涂胶量表示。它与胶黏剂种类、浓度、黏度、胶合表面粗糙度及胶合方法等有关。涂胶量过大,胶层厚度大,胶合强度反而低,反之,涂胶量过少,也不能形成连续胶层,胶合不牢。黏度高的胶黏剂容易涂胶过度。一般合成树脂涂胶量小于蛋白质胶。脲醛树脂胶涂胶量为120g/m2 ,而蛋白质胶为160~200g/m2 。孔隙大、表面粗糙材料的涂胶量大于平滑的、孔隙小的材料。涂胶应该均匀,没有气泡和缺胶现象。冷压胶合涂胶量应大于热压时的涂胶量。

(2)陈化与陈放时间:陈化时间是指材料被涂胶黏剂后至加压胶合时的时间。

陈化时间与胶合室温、胶液黏度及活性期有关。陈化是为了使胶液充分湿润被胶合的表面,使其在自由状态下收缩,减少内应力。陈化期过短,胶液未渗入木材,在压力作用下容易向外溢出,产生缺胶;如陈化期过长,超过了胶液的活性期,胶液就会失去流动性,不能胶合。

影响陈化时间的因素见表3.3-4。

表3.3-4 影响陈化时间的因素

陈化分为开放式陈化和闭合式陈化。涂胶后,在开放的条件下使胶液快速稠化称为开放式陈化,对于溶剂型胶黏剂采用此法更适合,因为溶剂型胶黏剂在陈放时间内有许多溶剂要挥发,如果不采用开放式陈化,则可能在胶合造成有气泡或鼓泡等缺陷,开放式陈化有利于溶剂的挥发,但占用场地较大;把涂胶表面叠在一起,不加压放置称为闭合式陈化,此时胶液稠化慢。常温下合成树脂胶的陈放时间应不超过30min。

陈放时间是指材料被胶合后,从卸压到进行下一道工序加工这段时间。

陈放是为了让板件性能更适合加工,具体如下:

(3)使胶合反应完全:无论热压,还是冷压,均需要持续一段时间才能使胶合反应完全,但是为了提高生产效率不可能在压机上完全全部胶合反应,因此需要陈放时间来继续完成胶合反应。

(4)均衡含水率:木材胶合需要涂胶黏剂,而木材用胶黏剂一般为水性,所以需要时间使胶合带入的水分分布均匀,用利于尺寸稳定性提高。

(5)均衡胶合产生的应力:改变了木材的含水率会影响其体积,自然就会影响其应力的分布,所以需要陈放来均衡使胶全应力。

(6)使体积变形到位:水分带入引起了部分木材体积变化。通过陈化工序,能够减少后序加工缺陷的产生。

3.3.4.3 胶合条件

(1)木材表面活性:被胶合的木材表面应该经刨光或砂光后,达到平整和光滑的要求,而且要立刻涂胶,因为刚刨削的木材表面活性较好,存在着许多自由基,根据有关研究可知自由基的存在有利于胶合强度地增加,但是自由基也很容易被氧化,一般木材活性期为4h。对于指接材,为了保证胶合强度,从开好指形榫到胶合最长时间不允许超过24h。

(2)压力:压力为0.1~1.5MPa,硬材高些,软材低一些。如果压力太低,达不到均匀胶液和增加胶合强度的目的;如果压力太高,特别是在热压的情况下容易造成被胶合木材压缩而无法恢复,对于薄的材料容易透胶,但是对于高密度材应该用高压才能达到好的胶合效果。

(3)温度和时间:温度有两种模式即热压和冷压,采用哪种模式主要决定于所用胶种、生产方式及生产效率的要求。加热可以适应连续化生产和高生产率的要求。通常使用的聚醋酸乙烯酯乳液胶胶黏剂(PVAC)、异氰酸酯胶黏剂(EPI)、脲胶和三聚氰胺改性胶黏剂可以采用冷压。前两者其固化时间较短。

当热压温度为100℃,根据经验判定其热压时间为15s/mm,如果厚度为36mm,则热压时间为9min,当在卸载后如胶黏剂不能完全固化,但在堆放的过程中,胶层仍可以继续得到进一步固化。相对多孔、密度高的木材,胶合时需要较长的热压时间来保证水分平衡和胶层受热均匀,因为空气是热的不良导体,孔隙越多,越不容易传热,但是高频加热不受孔隙多少的影响。高频压机能迅速使胶层固化,从而使热压时间缩短到几分钟,这主要是依靠高频发生器的电能进行内部加热(1~2W·min/cm2 )。胶合的时间应视具体胶种而定,同时与加热与否及加热的方式有关。

(4)化学方法:采用改性胶、快速固化胶或采用双组分胶等。

- 改性胶主要是对常用的胶黏剂进行改性提高其固化速度。

- 快速胶是指在板材封边时用的热熔胶。

- 双组分胶主要是指必须把固化剂和胶黏剂分别涂于胶合的两个面上,只有在胶压时才把胶黏剂和固化剂混合起来,固化剂开始起作用。因为固化剂的加入量的多少影响胶活性期,量多则反应速度快,如果不是这样,预先在胶中混入大剂量的固化剂,则未等胶合加压,胶已经固化。所以采用这种做法既可以实现正常生产,又可以加速胶合,例如甲组分为脲醛树脂,乙组分为聚醋酸乙烯乳液和盐酸。

(5)物理方法:预加热法和胶合时加热法两种。

- 预加热法:主要是在胶合之前把要胶合的零件预先加热,然后再涂胶,胶合,这样可以减少胶合时间。具体方法可以采用红外线加热或热空气喷射等方法,为胶合反应提供能量,加速反应。皮骨胶和封边的热熔胶比较适合此类方法。

- 胶合时加热法:为加快胶合的速度,多数企业都采用此方法提高生产效率。最常用的方法是接触加热、高频介质加热和微波加热。特别是高频加热有许多优点,在许多方面都有所应用,例如:箱框的拼接时胶合、镶边的胶合、镜框和门框的组装胶合、镶装饰线条的镶贴等许多零件和部件的生产。现在市场上已经有许多设备是把高频加热与多向压机、组框机、贴面机、集成材生产设备及热固型胶黏剂封边机械等有机地结合起来了,大大地提高了生产率和产品质量。

(6)加热方式:

- 接触加热:通过胶压夹具(或装置)表面,把热量传导到胶压零件,通过木材层传到胶层,使之提高温度,加速胶合的过程。可用蒸汽、热水、热油或电能。由于接触加热属于传导加热受零件的厚度、胶层距接触表面的距离、木材的密度和含水率等诸多因素的影响,所以适合厚度在12mm以下的零件,胶层距表面在6mm以内,胶压时间可以1min/mm,否则加热速度大大降低。

- 高频介质加热:将被加热的零件放入高频电场的两块极板之间,在高频电场的作用下板坯内的极性分子反复极化,摆动,摩擦产生热量,从而使板坯的温度升高。常见的极性分子是水,由于胶合时多数为水溶性胶黏剂,所以加热主要的热量集中在胶层上。

加热速度用单位时间内升高温度△T/t 表示

式中:△T ——升高温度(℃);

t ——加热时间(s);

c ——比热容(cal/g℃);

ρ ——材料的密度(g/cm3 );

η ——热损耗系数(0.5~0.7);

ε ——介质的介电系数;

tanδ ——损耗角正切;

f ——电场频率;

E ——电场强度。

由于胶层的损耗因子(ε tanδ)比木材大得多,水的损耗因子更大,所以电场的能量主要是被胶和水分吸收了,电场的强度越大,则加热速度越快,但电场的强度又不能太强否则会击穿介质。因此在使用高频加热时,应注意板材的含水率要适中(10%~12%),且分布均匀,否则局部可能会出现烧黑现象或变成干燥木材了。

高频电场的两极对于胶合零件有三种配置方式(图3.3-8):

图3.3-8 高频电极配置
(a)垂直配置 (b)平行配置 (c)杂散配置

- 垂直配置:木材与胶层是并联的,同时胶层的损耗因子大于木材,吸收功率多,所以胶层固化快,方材胶合和板材封边常采用此法。

- 平行配置:木材与胶层串联,此时损耗因子介质吸收功率反而小,而介电系数小的,厚度大的介质吸收功率大。没有体现选择性加热的优点,但是方便设置,可以利用压机的压板来配置电极。常用于各种贴面和胶合弯曲部件的加热。

- 杂散配置:适合于加热不方便的零件。例如,榫头与榫眼配合部件的加热。

3.3.5 优化方案

胶合工艺优化主要考虑生产效率和产品质量要求等因素。影响生产效率的主要因素为胶黏剂固化时间,所以采用加热方法生产效率比较高,但是加热容易引起应力的不平衡。如果胶合工件尺寸较大,宜采用高频加热。冷压产生的应力比较小,但是冷压周期较长,因此常用于保证产品质量方法。

胶合优化工艺:

(1)多层MDF增厚胶合:MDF准备→裁切/锯解→表面砂光/宽带砂光机→涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化/闭合→加压/高频压机→陈放→检验→入库

(2)5mm+25mm+25mm+5mm板增厚胶合:板件准备→裁切/锯解→表面砂光/宽带砂光机定厚→涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化/闭合→加压/冷压机→陈放→检验→入库

复习思考题

1.原材料特性如何影响胶合强度?

2.胶合工艺参数如何影响胶合强度?

3.以生产效率为目标,如何优化胶合工艺?

4.高频加热如提高胶合生产效率?方法如何?

3.4 实木弯曲

重点内容: 实木弯曲原理,实木弯曲工艺,实木软化原理,实木弯曲干燥定型原理,实木弯曲的影响因素,锯口弯曲原理,V形槽弯曲原理等。

在木家具生产过程中,考虑家具的造型和功能时,常需要制造各种曲线或曲面型的零部件,来满足人们的精神和功能需求。加工制造这类曲线或曲面型零部件的方法主要有锯制加工和加压弯曲两大类型。

锯制加工就是用带锯直接在锯材的配料上锯出曲线形,或者经方材胶合后制成较宽的实木拼板或集成材,然后再锯出曲线形零部件,再经过铣削而成。具有生产工艺简单,不需要添置专门的设备等优点,但由于木材的纤维被切断,制成的零部件强度降低,涂饰较难,弯曲度大的零部件和环形零部件还需要拼接,加工复杂,出材率低等缺点。

加压弯曲可以克服以上缺点,是用加压的方法把直线型的方材、薄木(单板)或碎料(刨花、纤维)压制成各种曲线形的零部件,这类加工工艺可以提高生产效率,节约木材,并能直接压制成复杂形状,简化家具结构,但需要专门的弯曲成型加工设备。在国内一些家具生产企业被广泛地采用。

3.4.1 概述

3.4.1.1 实木方材弯曲的概念

实木方材弯曲是将配置好的直线形方材毛料,经软化处理并利用模具加压,弯曲成所需的曲线形零件的生产过程。如曲木家具(家具的一个或若干个零件甚至全部是曲木的家具,所用零件少,所用零件断面尺寸小)。

3.4.1.2 实木方材弯曲特点

线条自然流畅、形态美观、强度高、省工省料、保留木材丰富的天然纹理和色泽;工艺比较复杂,工艺条件难以控制,容易造成弯曲毛料的破坏,难以构成多向弯曲,产生回弹现象。

3.4.1.3 实木方材弯曲方法

传统的弯曲方法主要是火烤法,但这种方法受到树种和弯曲半径的限制;现代弯曲方法主要是采用蒸煮软化后加压弯曲的方法。

3.4.2 方材弯曲原理

3.4.2.1 木材弯曲时的状况

实木方材弯曲时,逐渐形成凹凸两面,在凸面产生拉伸应力,用σ1 表示,凹面产生压缩应力,用σ2 表示。其应力分布是由表面向中间逐渐减少,两个应力分别在凹、凸两个表面达到最大(见图3.4-1)。

图3.4-1 实木方材弯曲时的应力分布

在拉伸和压缩应力间,即由外层的拉伸应力转为内层的压缩应力的过渡区域中,有一层的应力等于零,这一层被称中性层。

由于木材顺纹拉伸和压缩弹性模量大致相同,因此中性层基本位于中央(见图3.4-2)。

图3.4-2 实木方材弯曲时的形变

长度为L 的实木方材弯曲后,拉伸面长度为L +△L ,压缩面长度为L-L ,中性层的长度不变,仍为L 。其中,拉伸或压缩的长度等于各自的形变乘以中性层长度,则为:

中性层的长度: 

式中:R ——弯曲半径;

φ ——弯曲角度。

拉伸长度: 

压缩长度: 

拉伸面长度: 

压缩层长度: 

式中:h——弯曲方材的厚度

由式(3.4-1)和式(3.4-4)得:

由式(3.4-1)、式(3.4-2)和式(3.4-6)得:

相对拉伸应变: 

通常用h/R 来表示其弯曲性能,则

h/R =2ε

同样厚度的木材,能弯曲的曲率半径小,则说明其弯曲性能好。

对同一树种,当形变ε 一定,直线形方材毛料的长度L 大时,弯曲的曲率半径就小;对不同的树种,形变ε 不同,而当直线形毛料的长度L 一定时,弯曲的曲率半径越小,弯曲性能就越好。弯曲性能通常受相对形变的限制,如超过方材毛料允许的形变时就会产生破坏。因此方材弯曲时,有必要研究和了解木材顺纹拉伸、压缩应力和应变规律。

3.4.2.2 木材顺纹拉伸形变与顺纹压缩形变的规律

(1)在室温下对气干材进行弯曲:直线形方材毛料在气干状态下进行弯曲时,其顺纹拉伸形变(ε 1 )为0.75%~1%,顺纹压缩形变与方材的树种、年轮组织等有关,针叶材及软材气干材的顺纹压缩形变(ε 2 )为1%~2%;硬阔叶材气干材的顺纹压缩形变(ε 2 )为2%~3%。由此可见,方材气干材顺纹拉伸形变(ε 1 )小于顺纹压缩形变(ε 2 ),弯曲时方材的破坏是在方材的拉伸面上(见图3.4-3)。

图3.4-3 直线形方材毛料在气干状态下进行弯曲时产生的破坏

(2)对方材经软化处理后进行弯曲:当提高方材的温度和含水率后,即水热软化处理后再进行弯曲,可使直线方材毛料的顺纹拉伸形变(ε 1 )和顺纹压缩形变(ε 2 )加大(见图3.4-4)。由图可知,直线形方材毛料的顺纹拉伸形变(ε 1 )比气干材略有增加,但顺纹压缩形变(ε 2 )却比气干材增加很多,硬阔叶材软化处理后顺纹压缩形变(ε 2 )可达25%~30%,针叶材或软阔叶材经软化后顺纹压缩形变(ε 2 )可达5%~7%。

图3.4-4 木材顺纹拉伸和压缩应力应变
1—处理前 2—处理后

(3)方材软化处理后拉伸面加钢带进行弯曲:方材软化处理后,顺纹压缩形变(ε 2 )提高很多,即压缩面可以继续弯曲,但是由于顺纹拉伸形变(ε 1 )增加较少,首先在拉伸面上破坏。为了利用压缩形变较大,改善拉伸面承受的形变较小的特性,在实际生产中,在直线形方材毛料的拉伸面紧贴一条金属钢带,使方材和金属钢带构成一体,这样直线形方材毛料弯曲时中性层将向拉伸面移动,由于金属钢带承受拉伸应力,金属钢带的拉伸形变比木材大得多,使直线形方材毛料拉伸面形变小于或等于其允许拉伸顺纹形变极限ε 1 (见图3.4-5)。加钢带的原因和作用主要是:改善弯曲性能,中性层外移,对木材起保护作用。

图3.4-5 方材加钢带弯曲示意图

其弯曲性能为:

由式(3.4-7)得:

由式(3.4-7)、式(3.4-8)得:

弯曲性能 

式中:h ——弯曲方材的厚度(mm);

r ——弯曲模具曲率半径(mm);

ε 1 ——允许顺纹拉伸形变;

ε 2 ——允许顺纹压缩形变。

钢带一般要求表面光滑,厚度一般为0.2~2.5mm。金属钢带厚度的确定(见图3.4-6),当应力从中性层移到与金属板分界处时,可把直线形方材毛料的顺纹拉伸形变ε 1 看作近似等于零,从材料力学中得近似公式如下:

图3.4-6 方材加钢带弯曲毛料的断面应力

式中:h ——弯曲方材的厚度(mm);

S ——金属夹板厚度(mm);

σ 1 ——拉伸应力;

σ 2 ——压缩应力。

复习思考题

1.实木弯曲基本概念是什么?

2.如何分析实木弯曲原理?

3.如何提高实木弯曲性能?

4.如何利用木材特性实现实木弯曲目的?

3.4.3 方材弯曲工艺

实木方材弯曲工艺就是把配置成的直线形毛料,加压弯曲成曲线形的零件。主要包括以下工序:材料的选择,毛料加工,软化处理,加压弯曲,干燥定型,最后加工等。

3.4.3.1 选料

毛料弯曲前,应根据方材毛料的厚度、弯曲的曲率半径以及软化方式、软化程度,选定合适的树种和含水率,对弯曲零部件的质量有密切的关系。

(1)树种的选择:各种树种的弯曲性能不尽相同,针叶材和阔叶材的弯曲性能差异很大,一般硬阔叶材的弯曲性能优于针叶材和软阔叶材,幼龄材、边材的弯曲性能优于老龄材和心材。因此生产中常选用弯曲性能好的树种,如水曲柳、山毛榉、柞木、白蜡木、榆木、橡木、枫木等。

(2)材质选择:方材弯曲时,要求方材的纹理通直、斜度不超过10°。当方材的斜度过大时,弯曲时易使年轮层滑移,降低弯曲性能。同样方材弯曲时的各种缺陷也必须剔除,不允许有开裂、腐朽、轮裂、斜纹、夹皮和大节子等。为提高出材率,在拉伸面和靠近中性层的部位可允许有一些小缺陷(如小节子)存在。

(3)木材含水率要求:当方材毛料的含水率大于木材纤维饱和点时,容易导致方材毛料的崩裂。在含水率小于30%时,毛料含水率与弯曲质量密切相关。含水率过低,弯曲性能差,易产生破坏;含水率过高,会形成静压力,使木材胀裂,造成废品,而且也将延长干燥定型时间。一般不进行软化处理而直接弯曲的毛料含水率控制在10%~15%;要进行蒸煮软化处理的方材含水率应为25%~30%;高频软化处理的毛料含水率应大于20%,而处理后的毛料含水率为10%~12%。

(4)断面尺寸要求:当厚度大于宽度时,宽度应取倍数毛料,这样增加弯曲时的稳定性。弯曲后实施再加工。

3.4.3.2 方材毛料的加工

锯材经挑选、配料制成用于弯曲的方材毛料后,还不适合于弯曲,一般在弯曲前,需要进行必要的刨光和截断,一是用于安装金属钢带和弯曲模具;二是便于发现在配料时未能发现的缺陷,如前面提到的腐朽、轮裂、夹皮和节子等,并剔除掉;三是简化弯曲后的零部件表面加工。方材毛料的加工方法主要有以下几方面。

(1)刨光:方材毛料的刨光主要是加工两个面:一是拉伸面,用于安装夹板,并使金属钢带紧密地贴在拉伸面上;二是压缩面,用于安装模具,使压缩面紧密地贴在模具上。两个面加工后,还便于及时发现缺陷。加工方法可以采用双面刨进行双面刨光,或者采用平刨加工基准面,压刨加工其向对面。

(2)剔缺陷:方材毛料经双面刨光后,发现的缺陷可以采用各类截锯截掉,以达到剔除缺陷的目的,或者挑出来作它用。

(3)其它工序:对弯曲形状不对称的零部件,弯曲前要在弯曲部位中心位置划线,以便对准样模中心。表面刨光、精截后,要在弯曲部位做好记号,以便准确定位。

3.4.3.3 软化处理

软化处理是将木材加热、注入增塑剂,以改善木材的弯曲性能。木材的加热可以使木材的非结晶物质,如木素、半纤维素和纤维素的非结晶区体积膨胀,增大自由体积空间,提高木材的塑性。同样在高温下,半纤维素也会发生一定的热解,使纤维素和木素之间部分失去联结,提高木材的塑性。木材中注入增塑剂,可以大大提高木材的塑性变形。在软化处理中,水是一种有效的增塑剂,木材在水的作用下,体积膨胀,当木材的含水率等于其纤维素饱和点时,体积膨胀达到最大,也是木材弯曲的最佳状态。氨和尿素也是很有效的增塑剂。

木材的软化处理方法可分为物理方法和化学方法两大类。

(1)物理软化处理方法:物理软化处理方法,由于处理容易,生产成本低,被广泛地应用于方材弯曲的软化处理。实际生产中最常用的物理软化处理方法是火烤法、水热软化处理、高频加热处理和微波加热处理,软化处理方法见表3.4-1。

表3.4-1 木材物理软化处理方法比较

(2)化学软化处理方法:化学软化处理方法是采用各种化学药剂对方材进行处理,以提高方材的塑性。常用化学方法有液态氨、氨水、气态氨、亚胺、碱液塑化处理、尿素塑化处理、单宁酸等化学药剂的处理。化学软化处理一般是在密闭的罐内进行的,此方法适合对化学药剂渗透良好的阔叶材,针叶材很少使用。

- 氨塑化处理法:有用液态氨、氨水、气态氨处理木材的三种方法。三种氨塑化处理方法,效果最好的是液态氨处理,气态氨和氨水处理法处理的毛料弯曲后定型的性能不如用液态氨处理的方法。具体的工艺过程如下:

液态氨:是将气干材放入-33~78°的液态氨中,浸泡0.5~4h,再使材料温度上升到室温即可弯曲,该法与蒸煮法相比,具有木材的弯曲半径更小,几乎能适用于所有的木材,弯曲所需的力矩较小,木材破损率低,弯曲成型件在水分作用下几乎没有回弹。

气态氨:气干材置于处理罐中,通入饱和气态氨,2~4h,即可弯曲。

氨水:将材料常温常压下浸泡在25℃的氨水中,经10天后,即可软化。

- 碱塑化处理法:将木材放在10%~15%的氢氧化钠(NaOH)溶液或氢氧化钾(KOH)溶液中,达到一定时间后木材即明显软化,取出后木材用清水清洗,即可进行自由弯曲。该法软化效果很好,但易产生木材变色和塌陷等缺陷。为防止这些缺陷的产生,可用3%~5%的双氧水漂白浸渍过碱液的木材,并用甘油等浸渍。碱液处理过的木材虽然干燥定型过,但如果在浸入水中则仍可以恢复可塑性。

- 尿素塑化处理法:将木材浸泡在50%的尿素水溶液中,浸泡10天,干燥含水率20%~30%,再加热100℃,进行弯曲。这种方法能改善弯曲性能,如山毛榉、橡树用尿素、甲醛液浸泡处理后,木材的弯曲性能约为1/6。

(3)蒸煮软化与压缩处理法:为了充分利用木材压缩面可以有较大压缩变形的特性,在现代实木弯曲家具和木制品生产中,可以利用木材压缩技术来改善木材的弯曲性能,达到较小的弯曲半径,实现多向、多维、螺旋状的弯曲和打结。

这种新的弯曲处理技术是先经过选料和锯刨加工的毛料(含水率20%~25%)在蒸汽罐内进行蒸汽加热软化后,采用液压压木机顺着木料纤维方向进行纵向压缩,将木料纤维压缩到原有长度的80%。压缩后的木料会产生轴向纤维细胞侧壁打叠。当卸压后,湿木料尺寸将会回弹,但又与产生塑性而不可能达到原有的长度尺寸,压缩回弹后的木料压缩率为5%(回弹率为15%)。湿木料被压缩几分钟后,可以极其容易地对其在热态或冷态条件下进行多向、多维或螺旋状的弯曲。用软化和压缩处理后的弯曲构件,与只进行传统蒸汽软化处理弯曲的构件相比,具有更好的弯曲性能和相同的力学强度性能及易于机械加工的性能。

(4)加压弯曲:方材毛料经软化处理后应立即进行弯曲,以免木材冷却降低了塑性,影响弯曲效果。曲率半径大、厚度小的弯曲零件可以不用金属钢带,直接弯曲成要求的形状。大部分弯曲零部件需用金属钢带和端面挡块进行加压弯曲。

金属钢带宽度要稍大于弯曲方材宽度,金属钢带的厚度一般为0.2~2.5mm,钢带两端设有端面挡块,用来顶住方材端部,拉紧金属钢带,使金属钢带与方材毛料紧密接触,促使中性层外移。

方材弯曲的端向压力要适当,压力过小,将不起作用,产生拉伸破坏;压力过大,不仅会使压缩面破坏,还会产生反向弯曲现象。一般弯曲硬阔叶材时,端面压力应为0.2~0.3MPa。考虑到弯曲过程中可允许有一定程度(1.5%~2%)的伸长,端面挡块位置应能适当调整。端面挡块的压力和位置可通过楔状木块、球形座或丝杆来调节。弯曲样模或模具应该形状和尺寸准确、位置稳定,可用金属或木材制成。方材装入钢带前,要选择光洁的表面贴向金属钢带。

实木方材弯曲可分为简式弯曲和复式弯曲。简式弯曲又称为纯弯曲,弯曲后其横断面不变;复式弯曲是木材受压缩的同时受到弯曲作用,弯曲形状可以是二维空间曲线如L、U、S、O形等,或三维空间曲线如椅背后腿零部件、椅背扶手零部件等。

方材加压弯曲的方法主要采用手工和机械两种形式。

- 手工弯曲

手工弯曲时将需弯曲的方材毛料紧靠在带有金属钢带的弯曲装置内,方材毛料的两端用挡块靠住,并应根据弯曲的拉伸面长度调整挡块的距离,以防止反向弯曲(见图3.4-7)。方材毛料的压缩面靠在模具上进行弯曲,弯曲后用金属拉杆锁紧,送入干燥窑中干燥定型。

图3.4-7 手工弯曲示意图
1—样模 2—金属钢带 3—端面挡块
4—弯曲毛料 5—木楔 6—拉杆

手工二维复式弯曲夹具(见图3.4-8)和三维复式弯曲夹具(见图3.4-9)。这类弯曲家具采用角钢制成二维或三维的成型样模,弯曲时采用丝杆压紧毛料两端,用手工将毛料和钢带一起弯曲到成型角钢模具弯曲木在定型时最好加热,并宜固定在模具上干燥定型,以保证弯曲形状的正确性。

图3.4-8 手工二维复式弯曲夹具

图3.4-9 手工三维复式弯曲夹具

- 机械弯曲

机械弯曲是采用机械传动、气压和液压弯曲的方式将直线方材毛料弯曲成所需要的零件形状。现代设备上一般配有金属钢带和模具,常用的曲木机有以下几种形式。

U形曲木机(见图3.4-10),将软化处理的直线形方材毛料置于模具与金属钢带之间,通过机械形式提升两侧加压杆,将直线形方材毛料沿模具弯曲成所需的形状。该设备适合于大批量的直线形方材毛料的弯曲。

图3.4-10 拉式U形曲木机
1—毛料 2—钢带 3—样模 4—钢丝 5—杠杆
6—挡块 7—滚轮 8—滑道 9—压块 10—拉杆

U形曲木机的另一种形式是采用液压弯曲加压的形式(见图3.4-11),弯曲方式与图3.4-10基本相似。这两种机械弯曲主要用于弯曲各种不封闭的弯曲零件及各种圆弧形的椅子靠背,沙发扶手及各种建筑零件等。

图3.4-11 U形曲木机(压式)
1—钢带 2—曲柄 3—压块

环形曲木机可弯曲各种封闭形状的零件,如圆环形,梯形等木椅座圈,环形望板等(见图3.4-12)。

图3.4-12 环形曲木机
1—样模 2—主轴 3—挡块 4—钢带 5—压棍
6—加压杆 7—毛料 8—挡块调整螺杆

另外一种曲木机为曲木干燥机,其工作原理是既可进行方材弯曲,还可以进行干燥定型,只是干燥时间较长,往往影响弯木机的生产效率。实际生产中,常常将方材毛料弯曲后,进行短暂的干燥,然后采用金属拉杆固定送入干燥机中干燥。这种曲木机用于弯曲半径大的零部件,如椅子后腿、靠背挡等,一次可以同时弯曲几十根。

多层曲木热压机(见图3.4-13),一对金属样模内通有蒸汽,毛料放在样模之间,通过上下金属样模的啮合加压,使毛料压向样模,弯曲到与上下样模全部贴紧,并以弯曲状态在样模中保持适当的时间,使弯曲毛料干燥定型。这种多层曲木压机一般多用于制造弯曲半径大的零部件,而且一次也可以同时弯曲几十根。

图3.4-13 多层曲木热压机
1—压模 2—加压油缸 3—蒸汽管

(5)干燥定型:直线形方材毛料弯曲后具有较大的残余应力,特别是方材毛料在水热处理后,含有较高的水分,如果不进行干燥和定型,弯曲的毛料在残余应力和水分的作用下极易发生回弹。因此必须对弯曲的方材毛料进行干燥处理,降低木材的含水率,保持弯曲零件尺寸的稳定性。

常用的干燥定型方式有:自然气干定型、干燥窑定型、高频干燥定型、微波干燥定型、热模干燥定型等。在干燥的过程中,弯曲毛料必须固定在干燥定型架中,以确保弯曲毛料的尺寸稳定。

控制回弹的方法主要有物理方法和化学方法。物理方法是在弯曲时将弯曲角度比设计角度大1°~2°。化学方法是用苯乙烯与聚乙烯醇类进行塑合处理或涂聚氨酯涂料和浸渍酚醛树脂。回弹率的计算可用下式进行(见图3.4-14):

图3.4-14 实木弯曲回弹示意图

回弹率=[(L 2 -L 1 )/L 1 ]×100%

式中:L 1 ——拆模前的尺寸,mm;

L 2 ——回弹后的尺寸,mm。

(6)实木方材弯曲零件加工:方材毛料在弯曲前虽已加工了两个面,但是当直线形方材毛料弯曲后,其弯曲件的加工表面或加工基准已不准确,若要达到高质量的要求,还必须重新加工,因此弯曲零件的加工实质同方材毛料的加工类似,只是需重新确定基准和型面加工,再根据要求进行车削、铣削、刨削以及槽、眼、孔、型面等加工,加工方法类似方材零件的加工。

弯曲零件经机械加工后,需进行涂饰和装配等工序。

复习思考题

1.实木弯曲工艺是什么?

2.实木二次弯曲操作要点是什么?

3.典型实木软件原理是什么?

4.实木弯曲的手工方法与机械方法的异同点是什么?

3.4.4 影响实木方材弯曲质量的因素

3.4.4.1 含水率

在木材的纤维饱和点内,木材的弯曲性能随着木材含水率的提高而提高,当木材的密度小时,含水率可适当地大一些,这是由于木材的密度小,水分容易排除的缘故。方材弯曲的含水率一般控制在20%~30%。

3.4.4.2 木材缺陷

弯曲木材对木材缺陷限制要求严格,腐朽材不能用,死节会引起应力集中而产生破坏,节子周围扭曲纹理会在压缩力作用下产生皱缩和裂纹。少量活节也会降低抗拉和抗压强度。因此,要对节子严格控制,尤其在拉伸面不允许有。

3.4.4.3 年轮方向

当木材的年轮层与弯曲面平行时,稳定性好,在较大的压力下,木材也不会发生破坏。但是当年轮层与弯曲面垂直时,在弯曲压力下,年轮层易产生滑移,降低木材的弯曲性能。

3.4.4.4 温度

木材的弯曲性能随着木材温度的提高而提高,但是木材的温度过高时,所需的热能加大,增加生产成本,同时也会使木材发生降解,降低木材的强度。在木材加压弯曲前进行软化时,被软化零件的中心必须达到所需温度,表面温度不能急剧下降,软化程度对弯曲质量也有很大的影响,软化过度,破坏木材的某些性质,软化不到位,木材刚性强,易开裂等。控制好方材弯曲的蒸煮温度和时间,对提高弯曲质量、降低废品率有重要意义。

3.4.4.5 弯曲时毛料的端面尺寸和夹具断面的压力

直线形方材毛料的厚度与宽度比较大时,木材弯曲时容易失去稳定性,因此在实际生产中可采用方材毛料的宽度制成倍数毛料的方式,在直线形方材毛料弯曲后再进行剖分加工。夹具端面的挡块必须与木材断面尺寸吻合,均匀加压,端面压力适中。

3.4.4.6 弯曲速度

弯曲速度太快,虽然生产效率高,但由于木材内部结构来不及适应变形,会容易造成废品,如起皱、撕裂等;弯曲速度太慢,方材易变冷而降,塑性不足,也容易产生裂纹,一般弯曲速度以每秒35°~60°为宜。

复习思考题

1.试分析实木弯曲效果的影响因素是什么。

2.试分析工艺影响实木弯曲性能的原因是什么。

3.5 胶合弯曲

重点内容: 胶合弯曲的原理,胶合弯曲工艺,胶合弯曲定型原理,胶合弯曲的影响因素。

胶合弯曲与实木弯曲既有区别又有联系。胶合弯曲的原料为单板、薄木和薄MDF或HDF。胶合弯曲更容易控制,更适合工业化生产和现代化家具制造。

3.5.1 材料准备

适合胶合弯曲的材料很多,如锯制薄板、胶合板、MDF、单板和刨切薄木,其中单板应用范围最广泛。制造单板的树种可为针叶材或阔叶材。

薄板含水率与木材树种、弯曲曲率半径、胶种、压力和胶压时间等有关。通常薄板含水率为6%~12%。含水率过低会出现材质变脆,材料损失率高,因此薄板含水率过低需要用热水探试拉伸面,保证胶合弯曲顺利进行。

单板厚度通常为1~1.5mm。如果单板厚度过薄会增加胶合弯曲的性能,但是涂胶量增加也会增加成本。如果单板厚度过厚会减少胶合弯曲性能,无法实现弯曲目标。

3.5.2 弯曲原理

胶合弯曲性能与单板厚度和表面纹理方向有关。横纤维方向弯曲时,弯曲轴向与表面纹理垂直,其弯曲性能与方材弯曲近似。当弯曲轴与表面纹理呈45°弯曲时,最小曲率半径可比横向弯曲时小1.5~2倍。

胶合弯曲就是指将一摞涂过胶的薄木加压弯曲,直到胶层固化,而制成弯曲件的过程。

在胶合弯曲过程中,胶层尚未固化时,各层薄木间可以相互滑动,且彼此不受牵制。每层薄板的凸面受到拉伸应力,凹面受到压缩应力。虽然胶合弯曲件厚度与实木弯曲相同,但是胶合弯曲件的整体拉伸与压缩变形大部分由薄板之间的相对移动来实现,而薄板本身只需要非常小的拉伸与压缩变形就可以满足胶合弯曲件的需要。

假设制造弯曲半径为50mm,厚度为20mm的弯曲件。如果采用天然锯材,则需要弯曲性能指标为h/R =20/50=1/2.5的实木,像水曲柳、柞木、山毛榉等,而普通树种仅能弯曲到l/11。如果采用厚度为1mm单板胶合弯曲,则需要弯曲性能为S/R =1/50,普通树种都可以实现上述弯曲性能,包括针叶树种,且不需要经过软化处理即可。

根据公式S /R 可以知道,胶合弯曲件的弯曲性能取决于薄板的厚度。薄板的厚度越薄,则胶合弯曲件所能达到的最小弯曲半径越小,反之亦然。通常薄板的厚度不超过5mm,其种类是锯制薄板、胶合板、MDF、单板和刨切薄木等,其中单板应用范围最广泛,因此胶合弯曲又称为单板胶合弯曲。

3.5.3 弯曲工艺

3.5.3.1 胶合弯曲工艺

薄板准备→涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化/闭合→胶合弯曲/高频压机→陈放→检验→入库

3.5.3.2 胶合弯曲工艺说明

(1)薄板准备:胶合弯曲主要根据胶合弯曲件的用途、形状和尺寸来选择薄板。

- 单板厚度1~1.5mm,含水率为6%~12%。

- 薄木厚度不超过5mm。

- 薄板树种不限。

- 胶合弯曲件太窄时需要配成倍数毛料。

- 单板或薄木或薄板均是顺纹理抗弯强度高,垂直纹理的抗弯曲强度低,因此产品用途要适当增加交叉纹理单板。

(2)涂胶:常用胶种有脲醛胶、酚醛胶和PVAc等,其中酚醛胶主要用于室外场所,且耐水煮耐候性强。

- 涂胶量100~130g/m2

- 涂胶方式为涂胶机或手工辊涂。

(3)组坯:根据产品用途或强度要求合适组坯,主要利用单板各向异性的特点来组坯。

- 胶合弯曲的板坯压缩率要比平面的胶压大,通常为8%~30%。

- 平等配置:各层单板纹理方向一致,用于顺纹理方向受力部件,如椅腿或桌腿等。

- 交叉配置:相邻或部分单板的纹理方向与其它纹理方向垂直,制成板坯强度均匀,主要用于板面承受压力部件,如座面或靠背等。

- 混合配置:胶合弯曲形状和受力均复杂时采用混合配置。如滑板的不同部位要求受力不同,所以某部位顺纹理排列多,某部位纵横交错等。

- 单板胶合表面粗糙,再贴薄型木皮时会不平整,特别是在油漆时表现更明显,因此在组坯时需要在外层增加一层3mm或5mmHDF层,保证弯曲件表面平整。

- 如果采用一对硬模加压(如图3.5-1所示),则需要确定组坯厚度与模具设计厚度之间的关系。组坯厚度是指将单板预压后的厚度。当单板组坯厚度大于模具设计厚度时,“U”弯曲零件的中间凸起部分容易胶合不牢,而两个端部会出现挤坏现象。当单板组坯厚度小于模具设计厚度时,“U”弯曲零件的中间部分胶合牢固,压缩率较高,但是两个端部则胶合不牢。当组坯厚度等于模具设计厚度时,“U”弯曲零件出现缺陷机会较小,但是中间部分两侧转角处仍然会出现折断现象。

图3.5-1 硬模具

(4)陈化:陈化主要目的是为了使胶液能够充分地浸润到单板表层,以利于形成胶钉,增加胶合强度。陈化时间与环境温度有关,陈化时间通常为5~15min。

(5)胶合弯曲:胶合弯曲有加热与不加热之分。加热的目的就是为了提高生产效率,换言之,冷压也完全能够完成胶合弯曲。大型或复杂的胶合弯曲件主要采用冷压形式。胶合弯曲工艺中加热方式有高频、蒸汽、热油等,其中高频应用最广泛。胶合弯曲工艺中加压方式有一对硬模加压、硬模分段加压、软模加压、缠绕加压、负压加压法。胶合弯曲需要采用多向压机胶合和弯曲薄板的形状,多向压机如图3.5-2所示,同时与图3.5-1硬模具配合才能实现胶合弯曲加压过程。

图3.5-2 胶合弯曲多向压机

- 高频硬模加压:由于采用一对硬模加压,因此适合形状比较简单的胶合弯曲件加工。如图3.5-3中图(a)所示。

图3.5-3 胶合弯曲模具

- 高频硬模分段加压:分段加压适合于形状复杂或深度很深的胶合弯曲件加工,能够保证加压均匀。高频只是提供快速固化手段。正压力作用于胶合弯曲件表面才有助于胶合弯曲件的胶层固化,因此要分段加压。

- 软模加压:软模主要利用气体或液体向各方向传递压力相等的原理,来针对复杂形状的胶合弯曲件加工,但是软模在生产过程容易破损,因此该方法实际应用较少。如图3.5-3中图(b)所示

- 缠绕加压:利用钢带缠绕方式将涂过胶且组坯后的多层单板在室温下加压,直到胶层固化后卸压,如图3.5-3中图(c)所示。

- 负压加压:利用大气压力将涂过胶且组坯后的多层单板在室温下加压,直到胶层固化后卸压。将塑料薄膜中的空气抽出形成负压,让大气压力作用于涂过胶且组坯的多层单板,让其胶层固化。该方式简单实用,特别适合大型零件的胶合弯曲。负压是由真空泵抽真空产生。胶合弯曲件的形状依相应模具固化而成。如图3.5-3(d)和图3.5-4所示。

图3.5-4 负压胶合弯曲

(6)陈放:陈放是胶合后期处理的重要工序主要解决应力、含水率、形状稳定和反应完全的问题。

- 热压后利用余热使胶合反应完全。

- 让胶液带入水分达到新平衡。

- 让胶合反应所产生的应力达到新的平衡。

- 相对湿度60%,温度为50℃时,胶合弯曲件厚度与陈放时间关系:10mm厚陈放5天、15mm厚陈放8天、20mm厚陈放12天。如果条件许可,增加陈放时间对于减少胶合弯曲内应力有利,使弯曲件形状更好。

胶合弯曲工艺中的模具经常是多层胶合板或金属或水泥制成,近年来加热主要采用高频加热,极少采用传导加热,因此金属和水泥模具就极少用了。将多层胶合板锯成设计需要的形状,然后再用螺栓锁紧,用刨刀等工具将成形面刨光滑,以免影响胶合弯曲件的精度及表面质量。

3.5.4 定型原理

胶合弯曲的成形主要依靠单板之间相对移动及单板本身的弯曲,而形成了整个弯曲件的形状,此时涂在单板表面的胶黏剂固化后就将单板弯曲形状固定。

从高分子物理学的理论可知,每个被弯曲的单板都有恢复原来形状的趋势,因为单板原有形状的能量最低,即最稳定状态。如果没有外力的作用,被弯曲成形是不能保持的。胶黏剂主要作用就是通过形成胶钉及双电层的吸引力将单板之间的位置固定下来,并胶合在一起完成单板胶合弯曲,如图3.5-5所示为冷压胶合弯曲,最终定型因素是胶合作用。

图3.5-5 胶合弯曲冷压工艺

胶合弯曲的薄木越薄,则需要胶合的强度越小,反之,胶合弯曲的薄木越厚,则需要的胶合强度越大。

3.5.5 影响因素分析

3.5.5.1 树种

胶合弯曲质量受单板树种的影响。树种中的树脂含量不同,在高频加热再加压过程,水分移动受到影响,从而容易形成鼓泡现象。树种的弹性模量、抗弯强度、韧性不同,其胶合弯曲件的抗弯强度和弹性模量也不相同。

3.5.5.2 单板厚度

单板的厚度直接胶合弯曲件的弯曲效果。单板厚度越薄,该单板胶合弯曲件可能达到的弯曲半径就越小,反之,单板厚度越厚,胶合弯曲件可能达到的弯曲半径就越大。

3.5.5.3 单板含水率

单板含水率影响单板本身的弹性模量,从而影响胶合弯曲件的弯曲效果。单板含水率高,单板的塑性强,有利于弯曲。单板含水率低,则单板比较脆,容易断裂,因此影响胶合弯曲效果。

3.5.5.4 加热方式

胶合弯曲常见的加热方式是高频加热和传导加热。传导加热是由外向里传导加热,因此外层与内层的单板及胶水干燥不同步,产生的应力较大,因此胶合弯曲件容易产生变形。高频加热是选择性加热,即主要加热极性分子,如水分子等,因此高频加热效率很高。高频是内外一起加热,产生的内应力相对小,但仍需要陈放定型。

3.5.5.5 弯曲速度

胶合弯曲的质量与弯曲速度关系也比较密切。胶合弯曲的过程也是每个单板不同程度的弯曲过程,即每张单板都会产生不同程度的拉伸与压缩应力和应变。如果弯曲速度小于等于单板产生应变的速度,则胶合弯曲件不容易产生质量问题,如开裂等。如果弯曲速度大于单板产生应变的速度,则会出现单板弯曲过程断裂,最终导致胶合弯曲件断裂。

3.5.5.6 弯曲半径

胶合弯曲件的弯曲半径取决于单板的弯曲性能。单板的弯曲性能越好,胶合弯曲件的弯曲半径越小。胶合弯曲件的弯曲半径主要由产品设计决定。单板弯曲性能的影响因素有:树种、单板厚度、单板含水率及工艺参数等。

3.5.5.7 使用状态力学分析

根据胶合弯曲件的特点可知,胶合弯曲件在使用过程中通常有两种受力情况,其一是增弯受力,其二是减弯受力。增弯受力主要是指将胶合弯曲件的弯度增加,此时受力符合胶合弯曲的制造原理,主要拉伸应力由胶合弯曲件外层承担,不容易对胶合弯曲件产生破坏。减弯受力主要是指将胶合弯曲件的弯度减少,此时容易引起应力集中,使胶合弯曲件内层少数单板承担,且制造过程中可能其胶合不牢,因此容易引起胶合弯曲件凹陷部分破坏。

复习思考题

1.提高胶合弯曲性能的措施是什么?

2.胶合弯曲定型与实木弯曲干燥的原理有何异同点?

3.影响胶合弯曲件强度的因素是什么?

4.冷压胶合弯曲与加热胶合弯曲的区别是什么?

5.胶合弯曲与实木弯曲工艺异同点是什么?

3.5.6 锯口弯曲和V形槽折叠

3.5.6.1 横向开槽胶合弯曲

横向开槽胶合弯曲是在人造板上开出横向槽口,经涂胶胶压制成的曲线部件(见图3.5-6)。横向开槽的形式有三角形槽口、矩形槽口等。

图3.5-6 横向锯口弯曲示意图

锯口深度h 1 通常为人造板厚度的2/3-3/4,留下表层材料厚度(sh -h 1 ),s 越小则锯口间距也应减小,锯口数目增加,可避免表面显露出多角形。锯口可呈长方形或楔形,楔形锯口在弯曲后不会留下空隙。矩形槽孔加工容易,但是交接面减少,胶合强度降低。若边部矩形槽口较大时,应采用加入涂胶的楔形木块以增加强度。

为了增进美观,可在弯曲部件内部、外侧以及边部胶贴一层单板、薄木或其它装饰材料,在弯曲部位锯出凹入口,弯曲时装入相应尺寸的填衬木块。

横向开槽胶合弯曲时,需要在锯口中涂上胶黏剂,弯曲顺序一般先从中间开始,向两端逐渐弯曲,并夹紧到胶液固化,使其在弯曲状态下定型。

3.5.6.2 折叠成型弯曲

(1)概述:折叠成型是以贴面的刨花板、中密度纤维板、多层胶合板等人造板作基材,在其内侧开出V形槽或U形槽,经涂胶、折叠、胶压制成家具的框架(见图3.5-7)。

图3.5-7 V形或U形槽折叠工艺

现代板式家具的生产主要是零部件的制造,而折叠成型生产的板式家具略有不同,即先生产出框架,而后在安装构成家具的其它零部件制成家具。折叠成型主要是用于生产柜类家具的框架部分。

采用折叠成型工艺可以大大简化生产工序,有利于机械化、自动化生产,但是由于结构上还有一些弊端,如生产的柜类家具强度较低,不利于大型柜类的生产。因此现在仅在一些小型的装饰柜、床头柜等家具中使用。

(2)折叠成型工艺:折叠成型工艺主要包括基材的准备、基材的开槽、涂胶和折叠胶压等。

- 基材的准备:刨花板、中密度纤维板、多层胶合板等人造板作基材时,表面必须进行砂光,确保表面的光洁度和厚度公差,饰面材料一般以韧性好的材料为主,生产中常以PVC为主要的饰面层材料。根据家具框架的尺寸,采用精密裁板锯进行定尺寸裁板。

- 基材的开槽:在覆面的刨花板、中密度纤维板、多层胶合板等人造板的背面采用锯床或铣床开出V形槽或U形槽,开槽时必须将槽中的人造板材料全部剔除,同时还不能开到饰面层材料上,如果开槽不到位,将难以折叠。为了使折叠正确和形状规整,加工时应保证槽的形状精度、槽与槽之间的尺寸精度。槽的加工精度与机床的种类与精度、刀具的形状与尺寸精度、刀具的安装与调整、刀具的磨损等有关,应随时加以检查和控制。

- 涂胶:在开出的槽中要经过涂布胶黏剂后才能折叠成型,一般对于胶黏剂的要求是胶层固化迅速,胶合强度高。生产中常用的胶黏剂是氯丁酚醛树脂胶、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂胶或改性聚醋酸乙烯酯乳液胶(PVAc),乳白胶可以提高折叠处的胶合强度。涂胶形式可以采用手工或机械涂胶。

- 折叠胶压:涂胶后的板件可以采用手工折叠胶压,也可以采用折叠机胶压成型制成柜体的框架。

复习思考题

1.锯口弯曲适用于哪些范围?

2.锯口弯曲保障弯曲件强度的操作要点是什么?

3.V形槽弯曲的原材料性能要求是什么?

3.6 板件制备

重点内容: 空心板概念、结构和工艺,细木工板概念、结构和工艺,单板层积材概念、结构及工艺。

随着天然锯材直接用于家具制造比例越来越小,因此板件的制备就变得越来越重要。家具的板件主要有空心板、细木工板、单板层积材、集成材等,其中集成材在本书前面已经阐述。

3.6.1 空心板

3.6.1.1 概念

空心板主要指有边框,且板芯部分未完全填满填充材料的双覆面板材。空心板主要适用于板式家具零部件制造,其规格尺寸比较灵活,适合于定制。目前德国已经研制出2440mm×1220mm的蜂窝板规格材,使用时仅需要像其它人造板一样裁切即可,但是封边需要用特制封边机,此板连接件固定还未完成解决,因此应用范围比较有限。

空心板能够保证产品具有足够强度,固定连接件或锁具比较方便,同时还能节省大量木材,因此具有很好的发展前景。

3.6.1.2 材料与结构

空心板结构是典型的对称结构,主要目的是为保证空心板稳定性。空心板可分为三层结构,即正面板、芯层、反面板。通常根据芯层填充材料的不同而得名,如蜂窝板就是芯层为蜂窝纸填充材料,竹圈空心板就是芯层填充竹圈而得名,PU发泡为填充材料的空心板则称为PU发泡空心板等,木条、波纹单板、方格状单板等也常用作填充材料。

正面板与反面板均属于表层板,通常由二层或多层构成。如果二层结构,则由装饰层和表层结构层组成。装饰层通常为木皮组成,正面木皮为名贵树种木皮,反面装饰层木皮则采用一般树种木皮,高档家具则采用正反木皮同质。表层结构层通常是由MDF或HDF组成,也可以采用多层胶合板组成。MDF或HDF通常为3mm、5mm、9mm、13mm。表层结构层主要起到防止空心板面不平整作用,因此根据工艺合适确定表层结构层的厚度。

芯层通常是由木条或MDF或PB构成框架。木条或MDF或PB多来自加工剩余物。芯层框架的连接方式可以采用榫结合、气钉连接或热熔胶连接等方式,其中采用气钉连接最普遍,但是为空心板定尺寸时,会出现锯切气钉的现象,损坏锯片或增加锯片的磨损。采用执熔胶连接空心板框架比转活合现代家具生产,其热熔胶主要为PUR。固化时间可调。

如图3.6-1(a)所示填充材料为单板,单板互相嵌入1/2,该种方法现在应用比较少。如图3.6-1(b)所示填充材料的木条,该种空心板强度比较高,特别是木条间隙比较小时,可以用于桌子台面板的制备。如图3.6-1(c)所示采用的蜂窝纸,其蜂窝纸应具有如下特性。

图3.6-1 空心板结构

- 蜂窝板内芯是用100~120g/m2 牛皮纸或其它性能类似的纸张胶合成六角形蜂窝状的纸芯,再浸渍胶液固化定型(也可以不浸胶液,烘干定型),以增加其强度,然后根据定型部件的规格要求,用定型规格的框架把纸蜂窝芯嵌入框架内。

- 蜂窝板纸芯的规格:蜂窝纸芯六角形孔径的规格,一般为内切圆直径9.5mm、13mm、19mm,但也可根据用途要求来定制。孔径过大影响其板子的强度;孔径过小,强度较高,但是浪费纸张,同时增加成本。蜂窝纸的厚度应该比芯层厚度多出0.5~0.8mm,以保证蜂窝纸空心板的强度和稳定性。

3.6.1.3 工艺

蜂窝纸空心板是目前应用最普遍的空心板,主要依靠家具企业自身制造空心板满足自身需要,因此说蜂窝纸空心板制造工艺为典型空心板制造工艺。

蜂窝纸空心板的制造工艺,根据胶合加热方式种类分为:热压工艺、冷压工艺和热压冷压联合。根据胶合次数可分为一次胶合和多胶合两种。加热常见方式有传导加热和高频加热两种方式。

蜂窝纸空心板制备工艺:

(1)板材加工剩余物准备→小规格板条裁切/锯解→定厚/定厚砂光机→芯条钉框架/气钉枪或热熔胶→蜂窝纸裁切/手工→表层结构层涂胶/涂胶机→组坯→陈化→冷压/冷压机→陈放→裁边/双端锯→封边/封边机→修整/手工→砂光/宽带砂光机或砂边机或手工→检验→入库

(2)板材加工剩余物准备→小规格板条裁切/锯解→小规格板条锯槽/锯解→定厚/定厚砂光机→芯条钉框架/气钉枪或热熔胶→蜂窝纸裁切/手工→表层结构层单面涂胶/涂胶机→组坯→陈化→热压/热压机→陈放→再单面涂胶/涂胶机→陈化→组坯→冷压/冷压机→陈放→裁边/双端锯→封边/封边机→修整/手工→砂光/宽带砂光机或砂边机或手工→检验→入库

从蜂窝纸空心板制备工艺1可以看出,一次性完成覆面装饰层、覆面结构层与芯板之间一次胶合完全可行,但是影响产能,而且占地面积大,压机精度要求也高。蜂窝纸空心板制备工艺2的工艺比较复杂,且芯板要开通风槽才能保证板面平整。

如果用于芯层的板条厚度公差比较小,可以不定厚砂光,否则需要定厚砂光。采用蜂窝纸空心板工艺2可以制造超大型空心板,即超过热压机的幅面尺寸。

加热生产效率高,但是容易引起应力不平衡,即热压后板材变易变形。冷压时间较长,但是产生应力较小,即板件不容易变形。

当板件幅面小于压机幅面时,可以一次完成空心板的制造,即正面+芯层+反面涂好胶且组好坯后,一次完成胶合。

当板件比较厚,表层需要贴装饰木皮时,可以分次胶合,即采用蜂窝纸空心板工艺2所示工艺。蜂窝纸空心板成型后砂光多采用手压砂砂光。

3.6.1.4 性能

纸芯浸过胶的蜂窝空心板具有热稳定性,即在50℃条件下烘烤20h,蜂窝空心板无变化;冷稳定性,即在-20℃条件下放置20h,蜂窝空心板无变化;防潮性,即温度为36℃,相对湿度为100%条件下,放置40h,蜂窝空心板无变化。

蜂窝板的特点:

- 蜂窝板质轻,适合制造板式家具,特别适合作活动部件。

- 经过化学胶液浸渍处理后的纸蜂窝芯,不易虫蛀。

- 蜂窝板物理性能良好,在自然条件下不变形。力学性能符合家具部件的使用要求。

- 节约木材,符合环保理念。

3.6.1.5 应用

由于空心板重量轻,节约木材,尺寸稳定性好,并具有一定的强度,可作为门板、家具的柜门、面板、旁板、墙壁板等。空心板的缺点是表面抗压强度较低,不宜用于受重载荷较大的零部件,其幅面尺寸可根据实际生产的需要而自行决定。

目前应用最广泛的蜂窝纸空心板均是有边框,所以加工成成品后不宜再进一步分割,而且锁眼位置需要事先设计,且固定相应的板块。

带边框的空心板具有比细木工板更轻和更节省材料的特点,但不能在板的幅面上任意裁割,却能够封边处理。

3.6.2 细木工板

3.6.2.1 概念

细木工板主要是指芯层材料为小木条,顺纹理排列,双面再覆面的人造板材。细木工板属于实心板,但小木条侧向及端向不涂胶,其强度主要来源于木条自身强度及覆面材料与木条胶合强度。细木工板内的小木条规格相对比较小,而且木条间还有一定的间隙,因此细木工板是尺寸和形状比较稳定的人造板材,如图3.6-2所示。

图3.6-2 细木工板结构

3.6.2.2 结构

细木工板通常由三层结构组成,中间层为小木条,然后覆正反两面层材料。为了使板面平整,通常面层由装饰层和面层结构层构成,面层装饰层主要起装饰作用,而面层结构层是起到增加强度和保证平整作用,面层装饰层与面层结构层木材纹理相互垂直。面层装饰层木材纹理与细木工板长度方向一致。

根据科学实验证明:木条侧边及端头涂胶与否,与其制成的细木工板强度关系不大,因此通常见到的细木工板为侧向和端头不涂胶的。木条间的缝隙的大小决定了细木工板的强度,木条排列越紧密,则细木工板表现的强度越高。当木条排列紧密后,细木工板欲弯曲时需要使木条相互挤压变形才能达到板弯曲的目的,所以木条排列越紧密,木条本身的强度越高,则细木工板表现的强度越高。

3.6.2.3 工艺

细木工板的制造工艺相对比较简单。高质量细木工板的影响因素有:树种密度、木条规格、木条含水率、表层木皮的树种及含水率、及木条间隙等。木条基准面和相对面刨是基本要求,经常采用双面刨或单面压刨来完成,双面刨一次性就能完成木条的基准面和相对面的刨削,但是要求采用单面压刨则需要多次加工才能完成木条刨削任务。细木工板胶合采用UF胶和PVAc胶等。如果欲增加细木工的抗水煮性能或耐候性能,则需要采用酚醛胶或间苯二酚胶等。涂胶方式有手工涂胶、涂胶机涂胶、辊涂涂胶等。

细木工板工艺如下:

板料的准备→木条树种选择/手工→木条定厚/双面压刨或单面压刨→覆面层单板裁切/单板裁切机→覆面结构层涂胶/涂胶机→组坯→陈化→热压/热压机→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/宽带砂光机或砂边机或手工→检验→入库

细木工板的热压采用传导加热,或是高频加热均可,但是高频加热用于细木工板的制造有些浪费。蒸汽或热油通常作为传导加热的热源。

3.6.2.4 性能

无论手工排列木条,还是机械排列木条,均要留一定的间隙,只是间隙的大小不同而已。间隙过大时,弯曲细木工板仅靠细木工板覆面层与木条胶合抗拉强度和覆面层自身的抗弯强度来承担,因此会降低细木工板的强度。如果细木工板的木条间隙小,则主要由木条间变形来承担细木工板的抗弯强度。

细木工板尺寸稳定和形状稳定是其重要性能特征。木条与木条间有间隙是使细木工板具有尺寸稳定和形状稳定的重要原因之一。当木条含水率发生变化时,宽度方向的形变被木条间隙“吸收”了,厚度方向会受到随机年轮排布和覆面层的牵制而变化比较小。木条厚度和含水率相同或接近,为细木工板表面平整提供了基础。

细木工板木芯的厚度与上下两面单板的总厚度之比4:1左右时,实践证明,具有这一比值的细木工板强度最佳,板子形状稳定。为了提高细木工板的尺寸稳定性,木芯应以针叶材及软阔叶材为主,避免软、硬材混合使用,否则容易造成板面凹凸不平,甚至脱胶开裂。

影响细木工板性能的因素:

- 木条树种相同,或木材材性相近,即木材密度接近。

- 木条总体含水率控制在8%~12%,此时为平均含水率。

- 任意两小木条的含水率差值不超过3%。

- 任意两木条的厚度相同。

- 木条厚度公差小,否则会引起板面不平整。

- 木条排列紧密,否则影响细木工板强度。

3.6.2.5 应用

细木工板的尺寸稳定性和形状稳定性比较好,因此是制造家具的好材料,特别是有部分厂家将其作为实木家具的主要原材料,与最新轻工行业标准相冲突。

细木工板可以用于家具的绝大部分零部件的制造,如台面板、门板、搁板、竖板、床板、侧板和背板等。曾经是制造缝纫机台面板的最佳原材料。

细木工板不但与胶合板一样具有较高的材料利用率,并能广泛地用于家具、建筑水泥模板、地板、活动房屋等。细木工板与胶合板相比,具有较小的容积重和较廉的价格、加工简单、成本低等优点。

3.6.3 单板层积材(LVL)

3.6.3.1 概念

LVL是将较厚的单板接长,再纹理方向相同组坯后胶合而成的材料,其工艺类似于多层胶合板,所以又称平行胶合板。

单板层积材特性具有典型的方向性,即顺木纹理方向抗压强度和抗弯强度都高,垂直纹理方向的抗弯强度和抗拉强度都较低。单板层积材主要用于建筑方面,也可以用于制造家具,特别用于制造家具的支撑零部件,如桌腿、台面等。

单板层积层采用原材料通常为普通的树种,如意杨等,因此可以实现劣材优用效果。

3.6.3.2 结构

LVL要求所选单板质量较高。单板层积材可以作为家具用材,如桌子、椅子等,也可以作为建筑用的结构材,如楼梯、门、窗、屋梁等。

由于单板层积材的纹理的排列方向是相同的,所以其材性与天然板材相似,只是剔除了树节、虫孔、裂缝等天然板材的缺陷,因此加工方法与天然板材相同。单板层积材的强度变异系数小,许用应力高,尺寸稳定性好,在北美及日本已广泛用于建筑行业。主要是预制构件,属于理想的承重结构材料,可预制成工字梁增加房屋的抗震性能。

3.6.3.3 工艺

单板层积材与多层胶合板相类似,只是单板要求和组坯方式不同而已。

单板的准备→单板干燥/专用干燥机或热压机→单板接长/单板接长机→单板裁切/单板裁切机→单板涂胶/涂胶机→组坯→陈化→热压/热压机→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/宽带砂光机或砂边机或手工→检验→入库

根据单板层积材的要求,理论上可以生产无限长的单板层积材,实际上还是受到热压机等设备限制。热载体可以是蒸汽或高频,高频的生产效率更高,加热更均匀。

3.6.3.4 性能

单板层积材是强化某方向力学性能的典型木质材料,因此单板层积材用于某方向力学性能要求高的零部件生产就特别合适,如腿、梁等部位。

LVL与锯材相比较所具有的优点:

- LVL可以利用小径级材、弯曲木、短材,出材率60%~70%。

- 可以通过合理的结构设计能降低缺陷对产品强度的影响。

- 其质量稳定,尺寸规格等均匀一致,变异性小,其性能接近无节材。

- 可以实现连续化生产。

- 对于防腐、防虫、防火等改性处理,可以施加在胶黏剂中完成,简化工艺。

- 可以按需要进行规格尺寸生产,一般是宽度为100~1200mm,长度为2400mm,厚度为19~75mm。

复习思考题

1.空心板的特点和适用范围是什么?其制造工艺是什么?

2.细木工板的特点和适用范围是什么?其制造工艺是什么?

3.单板层积材的特点和适用范围是什么?其制造工艺是什么?

3.7 板件贴面

重点内容: 实心板贴面方法及要点,空心板贴面方法及要点,贴面方法优化方案。

板件是现代家具中的重要组成部分,而板件的装饰也是多种多样的,如贴木皮、贴装饰纸、贴三聚氰胺浸渍纸、贴装饰层积板、贴PVC等。贴面的方式种类也非常多,如热压机贴、真空覆膜等。

3.7.1 实心件贴面

实心板主要指MDF、PB、多层胶合板、集成材、LVL、细木工板等人造板材料,其中MDF或PB应用最广泛。贴面方式主要有:热压机贴面、真空覆膜贴面、包覆机技术、热转印等。

3.7.1.1 热压机贴面

热压机贴面是目前家具行业应用最广泛,掌握最成熟的技术之一。特别是贴木皮工艺,适合采用热压机贴面,而热压机的热载体主要有水蒸气、热油、高频等,其中以热油为热载体的热压机贴面效果最佳,因为油的沸点比较高,热压板子所需要温度在沸点内,所以热压机温控精度比较高。水蒸气的沸点是100℃,但是热压需要温度超过水沸点,因此热压机压板温度上升需要增加水蒸气的压力,就造成了温控不稳定,从而影响热压的效果。

(1)木皮贴面:木皮贴面是板材表面装饰主要种类之一。木皮贴面有“湿贴”和“干贴”之分,其中湿贴是指木皮含水率超过30%以上,甚至达到100%,通常为刨切后不经过干燥就直接用于贴面或直接保湿储存后再贴面,而干贴法主要指木皮含水率相对比较低,如10%左右,通常不超过20%。

木皮贴面的基板通常为PB和MDF,此外还有集成材、多层胶合板等。基板的厚度公差和表面粗糙度直接影响木皮贴面质量。国家标准PB或MDF的标准厚度公差为±0.2mm,实际需要是越小越好。当木皮厚度越薄,则厚度公差要求越小,目前贴面用木皮厚度已经达到0.15mm。木皮越薄,则需要板件表面粗糙度值越小,而且要颗粒均匀,尽可能少地有树皮颗粒存在,否则贴薄的木皮容易引起鼓泡现象。

①“湿贴”工艺。木皮的准备→木皮选配/手工→木皮裁切/木皮裁切机→涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化→热压/热压机→陈放→木皮修整/手工→砂光/琴键砂光机或砂边机或手工→检验→入库

木皮的准备:湿贴法的木皮经常为高含水率木皮,而且需要保持刨切的顺序,且木皮厚度不能超过0.3mm,否则影响贴面效果。

木皮选配:湿贴法中木皮通常为直拼方式,选配木皮时主要考虑花纹是阳面对阳面拼接,还是阳面与阴面拼接。阳面对阳面拼接木皮容易色差小,阳面对阴面花纹对称,但是色差增加。

木皮裁切:湿贴法木皮裁切的加工余量大于干贴法。湿贴法的木皮与木皮之间是互相重叠的。

涂胶:湿贴法涂胶基本上都是涂在基材上,不能涂在木皮表面。

组坯:湿贴法组坯就是把木皮按着顺序排列在涂过胶的基材表面,而且木皮与木皮之间要重叠,一般重叠量为3~5mm。

热压:湿贴法的热压通常采用热油为载热介质的热压机,通常不采用高频热压机。热压的压力要远大于“干贴法”的压力,而且压机的精度要高或者采有耐高温毛毡和耐高温薄膜来辅助热压,其目的就是保证热压的平整。

陈放:同“干贴法”。

木皮修整:主要目的就是将木皮重叠部分砂掉,保证贴面后的板面平整,无缝隙。

②“干贴”工艺。木皮的准备→木皮选配/手工→木皮裁切/木皮裁切机(纵横)→木皮拼宽/木皮拼缝机→木皮拼花/手工[此工序与前面工序选择其中之一]→基板涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化→热压/热压机→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/琴键砂光机或砂边机或手工→检验→入库

木皮的准备:根据产品技术要求和质量要求准备合适的木皮,主要考虑树种,刨切纹理、木皮厚度、木皮规格、木皮等级、木皮含水率等因素。

木皮选配:根据产品外观质量要求进行木皮选配,选配主要考虑因素是木皮纹理和色差,其中色差是针对亚洲人的特别要求,其它地区对于色差要求不高,允许有一定的色差。选配纹理时,还要考虑到拼花的需要,如蝴蝶花需要多次裁切与拼接才能完成,对于纹理和色差要求都比较高。木皮表面的节疤缺陷也要考虑,特别是高标准产品,在贴面之后不宜再修补。木皮选配还要产品装饰类型有关,如装饰类型为深色涂饰,则对于色差、纹理、节疤等缺陷要求就可以放松,反之涂饰为木皮本色,则对于木皮纹理、色差、节疤都要求比较高或苛刻。

木皮裁切:木皮裁切质量直接影响木皮的拼缝质量。通常木皮用裁切机裁切,如图3.7-1所示,机构1为双手控制按钮,机构2为木皮,机构3为工作台面,机构4为定位

图3.7-1 木皮裁切机

手柄。铡马研磨角为20°左右裁切效果最好。木皮切口应该平直,其挠曲度越小越好。木皮载切机具有红外线定位和双手启动裁切安全装置。

木皮拼宽:木皮拼宽主要方法如下:

- 采用水胶带拼缝,如图3.7-2所示,该种方法用于直条木皮拼缝生产效率比较低。

图3.7-2 水胶带拼缝

- 热熔胶线拼缝机,如图3.7-3(a)所示,机构1为热熔胶线盒,机构2为配重,机构3为拼缝装置,机构4为仪表。该种方法生产效率较高,操作简单,适合超过0.3mm厚的木皮拼缝。如果木皮较薄,则贴面后容易透出热熔胶线痕迹。

图3.7-3 木皮拼缝机

- 侧边涂胶拼缝机:如图3.7-3(b)所示,机构1为机身,机构2为拼缝装置,机构3为工作台,机构4为控制面板,机构5为木皮对齐涂胶装置。该种方法适合超过0.4mm厚的木皮拼缝。常用胶种为白乳胶或白乳胶与脲醛胶混合胶液。涂胶方式有手工和拼缝机自动涂胶两种。生产效率很高,且贴面后不会产生透拼缝痕迹缺陷,但是设备一次性投资较高。

木皮拼花:木皮拼花主要是根据木皮纹理拼接来达到装饰效果。拼花的主要拼缝手段为水胶带。如图3.7-2所示。如果拼花复杂,则可能若干次反复拼缝。拼缝主要是拼木皮的背面,在后序砂光中除去。复杂的拼花基本上都是采用手工拼花,其裁切主要采用木皮裁切机的多次反复的裁切或采用激光裁切复杂的嵌边。激光裁切主要有两方面工作,其一将指定的木皮裁切成需要的形状,然后再在需要位置裁切成与之对应的形状位置,然后再通过手工拼缝完成。

涂胶:常用胶种为白乳胶或白乳胶与脲醛胶混合胶液,还有改性PVAc等。涂胶方式:涂胶机或手工辊涂等。涂胶要求要均匀。涂胶量为110~130g/m2

组坯:组坯原则是保持板件的平衡与对称。通常组坯结构为三层结构或五层结构,主要受木皮和基板的特性所决定。具体如下:

- MDF贴面,三层结构能够保证MDF应力平衡,如图3.7-4所示。MDF本身的结构对称性比较好,因此只需要贴的木皮对称即可。木皮的纹理方向、厚度、含水率和制造方法对称即可,其实本质是应力平衡。

图3.7-4 MDF贴面结构示意图

- PB贴面,其贴面结构和要点与MDF贴面类似。如图3.7-5所示。

图3.7-5 PB贴面结构示意图

- 多层胶合板贴面,通常采有三层贴面结构或五层贴面结构。因为多层胶合板本身组坯时就是相互制约而达到平衡板材,因此贴面要还要保持这种平衡,即贴面木皮纹理与多层板表面木材纹理垂直,形成新的相互制约,从而达到平衡。三层贴面结构不稳定,容易引起变形,如图3.7-6(a)所示。五层贴面结构是在木皮与多层胶合板基材间增加一层3mmMDF,其目的缓冲应力,达到平衡的目的,此时木皮需要采用对称原则,五层贴面结构比三层贴面结构稳定,如图3.7-6(b)所示。

图3.7-6 多层胶合板贴面结构

- 集成材贴面,通常采用五层贴面结构,即木皮层、平衡层和集成材层。集成材具有比较强的各向异性特点,因此应该分别采用纹理与木皮层垂直的平衡层来抵消木皮所带来的应力不平衡。具体如图3.7-7所示。

图3.7-7 集成材贴面结构图

陈化:无论是闭合陈化,还是开放陈化都是让胶液浸润的更好,让含水率应力尽可能均匀。时间一般约为5~30min。

热压:采用热压主要是为了提高生产效率。采用冷压同样能够贴面,且产生的内应力比热压的内应力小,有利于贴面后板材稳定,但是生产效率较低。加热的方式有传导加热和高频加热两种。

冷压压力为0.5~1.0MPa,时间4~8h。如果摞板高度高时,可以在板中间增加一层厚板,以达到传递压力的作用。

热压压力为0.5~1.0MPa,加压时间与木皮厚度有关,通常0.5mm厚木皮加压时间为2~3min,0.3mm厚木皮加压时间为1~2min。温度与胶合胶种有关,脲醛胶110~120℃,酚醛胶140~150℃,PVAc为90~110℃。

陈放:由于热压时胶合反应不完全,因此在陈放工序中利用板件的余热使胶合反应继续,直到胶层完全固化。含水率分布进一步均匀,同时含水率应力分布不均匀所引起的应力也进一步消减。陈放时间应根据生产进度需要调整,通常陈放时间为1天左右。

裁边:裁边是为了后序的边部处理。如果基材是净料,则裁边工序不能再进行,否则会造成废品。如果基材是毛料,则裁边需要消除加工余量。裁边的机器有双端锯、精密推台锯、往复锯、电子开料锯等。

修整:修整任务是把贴面后的板面缝隙修补好。通常采用木丝,再加胶水修补。胶水为502胶或脲醛胶。加热方式为电熨斗。

砂光:如果贴面木皮比较厚,则采用宽带砂光机即可。如果基材公差比较大,贴面木皮不太厚或比较薄,则比较适合采用琴键砂光机。手压砂来砂光不容易砂穿木皮,但是板面的平整度不高。

③胶黏剂:木皮贴面通常采用白乳胶与脲胶混合使用。混合比例不同,胶黏剂所具有的性能也不完全相同,参见胶黏剂相关章节。

贴面工艺中典型胶黏剂为脲醛胶与白乳胶混合胶。脲醛胶与白乳胶分别具有不同的性能,混合的目的就是了取两个各自的优点。如果混合比不同,呈现的优点也不同。

脲醛胶:耐水性强、透明度高、渗透性好、胶合强度高、收缩应力大、刀具损伤大。

白乳胶:耐水性差、透明度差、填充性好、胶合强度低、收缩应力小、刀具损伤小。

拼花种类:木皮拼花有些精典图案。

拼花图案设计要考虑应力平衡因素,木皮的弦向收缩系数是径向收缩系数的两倍,纵向几乎不收缩,因此图案设计时考虑弦向收缩之间制约关系。

- 图3.7-8(a),钻石花。

图3.7-8 典型拼花图案

- 图3.7-8(b),太阳花。

- 图3.7-8(c),格条钻石花。

- 图3.7-8(d),蝴蝶花。

④木皮保存:“干贴”法的木皮保存条件:

- 用塑料薄膜包裹。

- 避免阳光直射。

- 避免穿堂风干燥木皮。

- 木皮含水率应该在15%左右。如果木皮含水率太低,木皮容易损坏。如果木皮含水率太高,木皮容易发霉。

- 木皮保存温度为室温,15~25℃。

- 木皮要按刨顺序保存,不能随意打乱。

“湿贴”法的木皮保存条件。

- 木皮要按刨切顺序保存,不能随意打乱。

- 保持木皮刨切含水率,用塑料薄膜包裹。

- 保存温度:10℃以下,最好保存在冰柜中。

将薄木黏贴在基材上,拼缝处重叠在一起,手工用刀将二层薄木沿拼缝割开,然后将多余的二条边条除去。胶带纸如果贴在上面,不能放入下面。

⑤线条贴面:线条贴木皮与板件贴木皮的工艺基本上相同,只是涂胶方式和热压需要采用模具不同。线条表面凹凸不平,因此涂胶经常采有喷胶或刷涂的方式,而热压时必须采用模具才能均匀地使贴面材料与线条表面胶合。

(2)装饰层积板贴面:装饰层积板俗称“防火板”,是办公家具台面主要装饰手段之一。装饰层积板的化学稳定性和物理性能均很好,如将高浓度强酸强碱直接涂在装饰层积板表面,24h除去强酸强碱,装饰层积板表面保持原有状态。装饰层积板耐划伤性能也是目前最高,几乎用金属利器直接划都不容易划伤其表面。装饰层积板只具有阻燃作用,不能起到防火作用。

装饰层积板一般厚度在0.5~1.5mm,是由浸渍三聚氰胺树脂的透明的表层纸和印有花纹图案的装饰纸与浸渍了酚醛树脂的基层牛皮纸高压而成的。装饰板在使用前最好温度为18~20℃、湿度为70%的条件下平衡3天,其目的是减少弯曲时产生裂纹。如果装饰层积板用于后成型,其形状有半圆形,1/4圆形、鸭嘴形等。

装饰层积板贴工艺与其它贴工艺类似,现以后成型工艺为例说明其工艺过程。

装饰层积板的准备→基板(PB或MDF)裁板/电子开料锯或精密推台锯→铣边部形状/下轴铣床→基板涂胶/涂胶机→陈化→组坯/手工→热压/热压机→陈放→边部涂胶/喷枪或刷涂→/边部弯板/弯板机→平衡板裁板/锯解→基板背面涂胶/辊涂→热压/热压机→陈放→裁边/电子开料锯或精密推台锯→封边/直线封边机→倒圆或跟踪/直接封边机→检验→入库

后成型的胶黏剂有:脲醛胶、乳白胶、脲醛+乳白胶混合胶。乳白胶系列可采用二次热贴法,即平贴时热压时间不能太长,否则弯曲部位的温度太高、含水率降低会影响装饰板的弯曲性能。如果采用脲醛和脲醛与乳白胶的混合胶,平贴不能用高温热压,热压温度不能超过60℃,否则边部的胶黏剂会提前固化,已固化的胶块对后成型包边会带来不利影响。胶黏剂的涂胶量太大会引起边部形成凸起。

装饰层积板加热温度通常在170~210℃范围内。如果温度过高容易引起装饰层积板产生分层、鼓泡。

装饰层积板的成型速度要适中,通常为几十秒内完成弯曲。成型速度过快会引起开裂,过慢会造成装饰板鼓泡甚至开裂。当加热温度高时,静止加热的时间要短、弯曲速度要快。为保证边部的胶结强度,加热板到达最末端必须静止加热10~20s。

防止成型后开裂主要措施:

- 采购装饰板时要注意装饰板的弯曲性能,并尽量选用较薄的装饰板。

- 装饰板的贮存时间不能太长,贮存期间要保持其含水率不变。

- 基材边缘的加工质量要高。

- 防止基材在平面贴合时涂胶量过大,平面贴合时采用冷压或低温(<60℃)热压或短时间热压。

- 正确匹配后成型时的加热温度与成型速度两技术参数。

(3)三聚氰胺浸渍纸贴面:三聚氰胺浸渍纸贴面也是目前家具板件表面装饰的重要方法之一,通常MFC家具就是指用三聚氰胺浸渍纸贴面的家具。三聚氰胺贴面家具能够提高人造板的耐水性、耐热性、耐候性、耐磨性以及耐化学试剂的性能,主要因为浸入原纸中的热固型树脂作用。三聚氰胺要比酚醛树脂好,装饰性和各种性能指标都比较好。

随着社会化分工深入,三聚氰胺浸渍纸贴面的工作基本上都有由专业的工厂来完成。只有较少的企业是自己生产自己使用,因此本书仅简单介绍相关工艺知识。

三聚氰胺浸渍纸贴面工艺主要分为:冷—热—冷法和低压短周期法,两者不同体现在热压方式。

人造板的准备→砂光/宽带砂光机→浸渍纸准备→组坯/手工→热压/热压机→裁边/双端锯→检验→入库

冷—热—冷法适合于密度为0.7~0.75g/cm3 ,厚度为3~40mm,但热压周期长、压力高、压机结构复杂、耗能大、生产效率低。

低压短周期法适合密度为0.65~0.68g/cm3 ,厚度为8~40mm。热压时间一般为50s。

三聚氰胺浸渍纸贴面工艺问题分析:

- 板面有水渍:①基材的含水率太高;②浸渍纸中的挥发成分太高;③热压温度过低使挥发成分没有排除好;④浸渍纸回潮(存贮环境太潮)。

- 乳状斑点:①热压时压力太低;②基材的厚度公差较大;③抛光板受到污染。

- 板面的光泽不足:①浸渍纸的挥发成分含量太高;②浸渍纸中树脂的含量太低;③热压板的压力太大;④抛光板被污染。

3.7.1.2 真空覆面

真空覆面技术是指利用负压技术来贴面的技术,适合带有一定凹凸不平表面的装饰,有一定延展性而且柔软的材料作为覆面材料其装饰效果好。常用覆面材料为PVC、柔性薄木。

真空覆面工艺:

人造板的准备→砂光/宽带砂光机→铣型/镂铣机或CNC→喷胶/喷枪→PVC薄膜裁切→组坯/手工→真空覆膜胶压→修边/手工工具→检验→入库

如果该需要反面覆PVC者,应该在组坯时增加背面PVC。

覆面如图3.7-9所示。该类覆膜机不带施加压力的橡胶膜,而利用塑料薄膜本身的柔韧性兼作施压的软薄膜。

图3.7-9 真空覆面示意图

图3.7-9(a)将已喷涂热熔胶的基材和PVC薄膜放入压机,但压机尚处于开启状态。

如图3.7-9(b)D抽真空使PVC薄膜紧贴上热板被加热软化。

如图3.7-9(c)V抽真空,D导入压缩空气使PVC薄膜紧贴MDF基材并与基材胶合,当撤去压力和打开压机后,模压贴面的部件即已完成。贴面时加热温度约为120~180℃(常用140℃),加压压力为0.6MPa,加热贴面时间2.5~3min。

如图3.7-10所示的是带有橡胶膜的真空覆膜技术,其中机构1为后板,机构2为橡胶膜,机构3为薄膜,机构4为模具。采用通有热空气的橡胶膜或气囊作软热板施加压力,直接将塑料薄膜如Alkorcell奥克赛薄膜,覆贴到基材的异型表面上。加热温度约为100℃左右,加压压力为0.1~0.4MPa,加热贴面时间20~30s。可在基材异型面上喷涂热熔胶或在Alkorcell奥克赛薄膜背面涂脲醛胶。

图3.7-10 橡胶膜覆膜示意图

3.7.1.3 包覆机贴面

包覆机贴面是一种近几年才兴起的新技术。包覆技术是指利用多个压辊将包覆材料胶压在具有型面的成型窄板或线条上所完成的贴面技术。可选用装饰纸、树脂浸渍纸、PVC塑料薄膜、柔性薄木、单板等饰面材料,并可采用不同胶黏剂如热熔胶或改性乳白胶等,适用于不同工件如中纤板、刨花板等基材或抽屉板、装饰线、门框、窗框等窄板或线条的包边。

包覆机贴面技术属于通过式加工,因此要求被包覆零件为等横断面。

图3.7-11包覆机中,1为铣型,2为仿砂,3为刷扫,4为料卷,5为送料器,6为涂胶,7为包贴压辊,8为输送辊,9为铣型修边。包覆机的关键是调整包贴压辊,每个需要包覆的零部件形状都不太相同,因此应使被包覆形面每处都要辊压均匀,否则容易引起质量问题。通过更换不同形状压辊能够实现多种形面的包覆。包覆机主要适合方材或窄板材的覆面加工。

图3.7-11 包覆机示意图

如图3.7-12所示为多功能包边机工作过程原理图。多功能包覆机增加了零件连接。

图3.7-12 多功能包边机

3.7.1.4 热转印

由于实木是天然生长的材料,所以难免要产生一些缺陷,例如色差、水线和节疤等表面缺陷,但是人们对表面质量要求却很高,如果要满足这一要求的产品,其价格往往普通消费者却接受不起,人们需要品质高,价格又能够承受得起的产品。木材表面的热转印能满足人们的需求。

热转印并表面涂饰后,与其它材料衔接几乎天衣无缝。热转印薄膜是PEO塑料膜作基材的,上面印有可热转印的木纹和油墨。该薄膜非常薄,当印于基材之后看不出基材已经贴上一层薄膜了。

热转印工艺:基材准备→基材的砂光→利用刷涂辊除尘数遍→用热转印机将热转印薄膜烫印于基材之上→涂UV底漆→紫外线照射→底漆砂光→除尘→淋面漆→紫外线照射→成品

3.7.1.5 模压贴面

家具是包含艺术内涵的工业品,弯曲造型零件通常是其组成一部分,因此弯曲造型零件的贴面就显得很重要。现代家具生产强调成本控制,因此通常弯曲件表面与内层的材料是不相同的。如果采用内外相同材质,则成本比较高。家具弯曲零件的造型也相当复杂,具体复杂程度取决于造型的需要。

根据弯曲与贴面的顺序分类,弯曲件的贴面分为“先弯后贴”、“先贴后弯”、“弯贴同步”等。常用的弯曲件贴面材料为木皮及薄木皮,薄木皮通常指0.2mm左右的木皮,且是含水率较高状态下进行贴面。

“先弯后贴”是指将弯曲件先制造成形,然后再贴面,主要适用于薄木皮手工贴面,特别适合复杂造型的弯曲件。

“先贴后弯”是指将弯曲件表层材料与贴面材料先进行贴面,然后再与弯曲件内层材料组坯后热压成形。此方法适合贴面后的表层应具有一定的弯曲性能,否则会降低弯曲的成功率,所用胶种也应具有一定的柔韧性,如白乳胶等。

“弯贴同步”是指将贴面材料与弯曲件材料一起组坯后热压,同时贴面弯曲成形。

如果弯曲件生产采用分工协作生产,则采用第一种的可能性比较大。将弯曲件外协加工或外购,然后再贴面,虽然专业化分工程度提高了,但是采用手工熨烫贴面的生产效率和产品质量受到一定的影响。

弯曲件内层材料通常为多层单板,而且采用意杨单板更多。采用意杨单板弯曲的零件表面平整度不够,再贴木皮后表面仍然有不平整现象出现,特别是在高光漆时表现明显,因此多采用薄型MDF或HDF为弯曲件材料的外层,保证弯曲件表面平整,并保证油漆后也平整。

弯曲件内层材料也可以采用多层MDF或HDF,此时表层平整程度可以满足家具零件的需要,但是弯曲程度有限,不能完全满足家具造型的需要。内层为多层单板的弯曲件与之相比却可以大大地增加弯曲程度。

模压贴面的模具和模压贴面的现场施工分别见图3.7-13、图3.7-14。

图3.7-13 模压贴面的模具

图3.7-14 模压贴面

3.7.1.6 贴面方案优化

板材贴面方案比较多,但是每种贴面方案都有其适应范围和特点,因此应该具体问题具体分析。针对不同零件特点和要求来优化其贴面方案。

平面型零件:平面型零件的平面部分贴面应该采用热压机贴面。热压机贴面是最成熟贴面技术,而贴面质量也是最高,稳定性也最好。热压机贴面技术适合大规格板材,小规格材也能贴面,只是生产效率较低。热压机贴平面零件也可以采用拼花技术来辅助完成设计的需要。

平面雕刻零件:该零件贴面适合采用真空覆面技术。真空覆面技术能够一次完成平面部分和凹陷雕刻部分的覆面,只是其花纹缺少层次感。如果采用热压机贴面技术,需要采用平面与凹陷雕刻部分分别贴技术,而凹陷雕刻部分需要特制金属模具(可能需要多个模具配合方可),再配有相应形状的覆面材料才能完成整个零件的贴面。

直线型形面零件:通常直线型形面零件的宽度都非常有限,即属于长条形零件。此种零件适合采用包覆机技术,因此这种生产效率高,而且也能保证质量。目前市场流行的跟脚线就是采用MDF铣线型后,再用包覆机来贴面。该种零件采用热压机和真空覆面都不合适,特别是直线型形面零件的长度超过两米多后,更适合采用包覆机技术,包覆机对于零件长度没有限制,但是对于宽度却有一定的要求。

复习思考题

1.干法和湿法贴木皮的异同点是什么?

2.防火板贴面工艺及操作要点是什么?

3.真空覆面适应范围、工艺及操作要点是什么?

4.包覆机贴面与真空覆面的异同点是什么?

5.模压贴面与普通热压机贴面的异同点是什么?

6.如何优化贴面方案?

3.7.2 空心板贴面

空心板能够节省原材料,减轻家具的重量,同时也能保证产品质量,因此空心板贴面是家具生产过程中的重要工艺之一。空心板与实心板结构特性不同,因此其贴面工艺也不完全相同。贴面空心板的组成通常为五层结构或更多层结构,因此有压板贴面同步或分步实施工艺的区别。

3.7.2.1 压板贴面同步工艺

压板贴面同步工艺是指将贴面用木皮、空心板芯层、蜂窝纸、增强层均准备好,涂完胶后,同步组坯一起胶合成空心板。

压板贴面同步工艺:

材料准备→芯层板条准备/锯解→芯层板条开槽/圆锯机→钉框架/气钉枪→定厚砂光/宽带砂光机→木皮准备→木皮选配/手工→木皮裁切/木皮裁切机→木皮拼缝/木皮拼缝机→增强层板准备→裁板/锯解→增强层涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化→加压胶合/热压机或冷压机→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/琴键砂光机或砂边机或手工→检验→入库

压板贴面同步工艺与实心板贴木皮有许多相似之处,但也有不同之处,具体如下:

增强层准备:增强层通常为3mm、5mm、9mm的HDF板,且增强层应该表面经过砂光。如果增强层在板材制造商处已经表面砂光,则此时不再需要砂光,否则表面应该将预固化层或蜡层砂掉,以保证木皮贴面的强度。

芯层板条开槽:主要目的是解决热压时内外空气压力平衡矛盾,否则容易形成贴面板高低不平,俗称“排骨挡”。

组坯:就是根据表层木皮、增加层、芯层、增强层(蜂窝纸填充)、表层木皮的顺序将各种材料按着顺序垂直整齐堆放。

加压胶合:通常可以采用冷压或热压,加热的目的就是为了提高生产效率。加热的方式主要有传导加热和高频加热。冷压的板件质量好,即应力小,但生产效率太低。

木皮、增强层和芯层同时准备,则生产效率更高。

3.7.2.2 贴面压板分步工艺

贴面压板分步工艺有两种方式,其一是指压板后再贴面,即先将空心板的芯层与增强层胶合后,再贴面的生产工艺;其二是指贴面后再压板,即将空心板的增强层与贴面先胶合,然后与空心板芯层胶合的生产工艺。

压板后再贴面工艺:

材料准备→芯层板条准备/锯解→芯层板条开槽/圆锯机→钉框架/气钉枪→定厚砂光/宽带砂光机→增强层板准备→裁板/锯解→增强层涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化→加压胶合/热压机或冷压机→陈放→木皮准备→木皮选配/手工→木皮裁切/木皮裁切机→木皮拼缝/木皮拼缝机→空心板涂胶/手工辊涂→组坯/手工→陈化→加压胶合/热压机或冷压机→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/琴键砂光机或砂边机或手工→检验→入库

压板后再贴面工艺中木皮、增强层和芯层同时准备,则生产效率更高。压板胶合时,通常采用冷压方式,如果欲提高生产效率可以采用高频来加热。贴面胶合时,通常采用热压。如果生产厚空心板,热压机开档需要增大,否则无法正常进料。空心板成形后,再涂胶不宜采用涂胶机,只能手工辊涂。

贴面后再压板工艺:

木皮准备→木皮选配/手工→木皮裁切/木皮裁切机→木皮拼缝/木皮拼缝机→增强层板准备→裁板/锯解→增强层涂胶/涂胶机→组坯/手工→陈化→加压胶合/热压机或冷压机→陈放→芯层板条准备/锯解→芯层板条开槽/圆锯机→钉框架/气钉枪→定厚砂光/宽带砂光机→涂胶/涂胶机→陈化→组坯/手工→加压胶合/冷压或热压→陈放→裁边/双端锯→修整/手工→砂光/琴键砂光机或砂边机或手工→检验→入库

贴面后再压板工艺中,增强层贴面的加压胶合,通常采用热压,而且是传导加热比较多,其特点与实心板贴的工艺及要求基本相似。贴面后增强层与空心板芯层胶合,采用冷压比较多,但是需要在冷压机的表层增加一层厚的MDF,以保证贴面部分不损坏。

3.7.2.3 优化方案

在家具生产过程中,空心板贴面的生产所占比例比较大,因此优化其工艺具有现实意义。优化所考虑因素主要有生产效率和质量稳定两个方面。

以产品质量为优化目标时,优化方案为先贴面再压板。

增强层贴面需要加压的压力较大,如果压板后再贴面,则芯层边框与蜂窝纸部分所能承受的压力不同,而且回弹性也不同,因此板面不容易平整。

增强层贴面后再采用冷压成板的生产效率也不高,是因为冷压的周期比较长,约需要4~8h。压板时采用传导加热方式,其热压周期也需要增长,因此优化方案建议采用梳状电极高频加热。

梳状电极高频的磁场只作用于板件表层,传导高频需要穿过整个板件厚度,电能损失比较多,因此梳状电极高频加热能够节省能量,同时还能够缩短加热时间。当空心板是厚型或超厚型板件时,其优化方案产生的经济效益就越明显。

复习思考题

1.空心板贴面处理的工艺及操作要点是什么?

2.如何优化空心板贴面工艺?

3.8 净料加工

重点内容: 零件形状和型面加工方法及要点,零件装配部位加工方法及要点,零件砂光方法及要点,零部件边部处理方法及适用范围,净料加工优化方案。

净料加工是指为满足产品需要而将加工工件的装配功能、形状和外观质量的过程。净料加工对象是净料,净料加工的产品为零件白坯。

毛料加工主要是通过刨削和锯截加工把毛料变为表面光洁、平整和尺寸精确的净料。净料加工主要是按照设计要求,进一步加工出各种榫头、榫眼、孔、线型、型面、槽簧及符合设计要求的其它形状,同时也包括砂光等表面处理工序,使之变为一个符合设计要求的零件,这些就是方材净料加工的任务。

净料加工工序的顺序应该根据定位方便程度来确定,同时要与装配基准相互协调的原则。本原则同样适合于人造板件的净料加工。

榫卯接合是框架结构家具的一种基本接合方式,属于传统家具接合方式。榫卯接合的基本组成是榫头和榫眼。榫头和榫眼加工的质量直接影响到家具的接合强度和使用寿命。根据现代木材加工原理,榫卯接合经常采用是基孔制,主要是因为钻头或方眼孔的尺寸呈阶梯分布,而榫头调整相对容易一些。榫头与榫眼的位置和它们之间的配合精度直接关系到产品安全性和可靠性。

3.8.1 榫头加工

根据榫头形式分类,榫卯接合的主要形式有直角榫,燕尾榫、长圆形榫、圆棒榫等。直角榫比较适合手工工具加工,同样也可以采用较初级机械加工,但是直角榫容易出来配合精度低,在其直角部分容易形成应力集中,最终影响产品的强度或刚度。燕尾榫原本是为了增强榫卯配合的强度而设计,其加工过程相对复杂或采用专用机械才能完成,因此燕尾榫主要于抽屉或箱体结合部分。长圆形榫和圆棒榫比较适合家具的现代化加工技术要求的,而且圆棒榫已经有专业化工厂提高标准商品,圆棒榫已经成为家具制造过程的标准件。

常见的各种榫头形式和其加工方法如图3.8-1所示。

图3.8-1 榫头加工

开榫头时应采用基孔制的原则,即先加工出与它相配合的榫眼,然后以榫眼的尺寸为依据来调整开榫头参数,使榫头和榫眼之间具有规定的公差配合,获得具有互换性的零件。通常加工榫眼的端铣刀或方凿钻均是固定尺寸规格,如φ 8、φ 10、φ 12等,方凿钻为10mm×10mm等,因此欲加工规格以外尺寸规格则需要定制刀具,频繁定制不现实,而且会增加刀具管理和使用成本。与定制加工榫眼刀具相比,调整榫头的加工参数的成本和方便程度更适合生产,因此生产中绝大多数采用基孔制。

榫眼加工刀具新旧与制造本身就会存在着一定的误差,而且是不可避免的。这需要调整榫头参数来适合,否则榫头与榫眼的配合就达不到理想状态。榫头与榫眼的配合太紧或过松都会引起家具的质量问题。

燕尾榫和圆棒榫的配合则与直角榫和长圆榫不同。燕尾榫采用端铣刀既加工榫头,又加工榫眼。如果端铣刀磨损后,会自动补偿,榫头与榫眼还能够配合紧密。圆棒榫通常是商品标准件,所以圆棒榫经常采用基轴制,即以圆棒榫直径为标准,调整孔的直径参数。如果工厂本身生产圆棒榫,则也可以采用基孔制。鉴于圆棒榫的配合是基轴制,所以圆棒榫购买后要严格密封起来,且随用随拿,不能长期放置在空气环境中,防止受潮改变其直径参数。

榫与榫眼的配合关系,与它们的含水率的变化有直接的关系。如直角榫与榫眼的配合中,榫头与榫眼同时含水率减少,但榫头与榫眼的纹理方向不同,木材不同纹理方面的干缩系数相差非常大,木材弦向收缩远大于木材纵向收缩,因此榫头与榫眼同时含水率减少,收缩不一致,肯定会出现产品质量问题。

圆棒榫与孔收缩也存在着相同规律。圆棒榫含水率变化会变成椭圆形,而榫孔收缩方向不同,圆棒榫变形后短轴与榫眼变形后的长轴相对应,使圆棒榫与榫孔实际接触面积大大地减少,从而影响了圆棒榫与榫孔的配合强度,影响了产品质量。

榫头加工应根据榫头的形状、数量、长度及在工件上的位置来选择加工方法与设备,同时应严格控制两榫肩之间的距离和榫颊与榫肩之间的角度,使与相接合的零、部件的尺寸适应,以保证接合后部件尺寸正确和接合紧密。

图3.8-1所示的Ⅰ为开榫机(图3.8-2)加工,Ⅱ为下轴铣床加工,Ⅲ为上轴铣床加工(镂铣机)。

图3.8-2 直榫开榫机

图3.8-1中编号为1、2、4、5几种榫头可以在单头或双头开榫机上采用带割刀的铣刀头、切槽铣刀及圆盘铣刀等进行加工。不太大的榫头也可以在铣床上加工。

榫头的加工精度除了受加工机床本身状态及刀具调整精度影响外,还取决于试件精截的精度及开榫头时是否采用同一表面定基准面,并且在工作台上不能有锯末、刨花等杂物,还要做到加工平稳,进料速度均匀。

图3.8-1中3、6、7的多榫加工,可以在铣床或直角箱榫机上采用切槽铣刀组成的组合刀具进行。直角多榫也可以在单轴或多轴燕尾榫开榫机上用圆柱形端铣刀加工。

图3.8-1中Ⅲ列榫头加工是利用上轴铣床,这是一种应急的方法,不是常用的方法。

燕尾形多榫和梯形多榫的加工,它们可以在专用的设备上加工如图3.8-3,这种方式适合于大批量生产。加工量少时也可以在铣床上完成如图3.8-4所示。

图3.8-3 新式燕尾榫

图3.8-4 下轴铣床加工燕尾榫与梯形榫
(a)燕尾榫加工 (b)梯形榫加工
1—零件 2—刀具 3—垫板

燕尾形多榫在铣床加工,如图3.8-4(a)所示,首先调整工作台倾斜一定角度或采用工作台不调在零件下部加垫楔形块的方法调整零件位置后,以工件的一边为基准加工一次,然后将其翻转180°,用原来基准边的相对边作新的基准再次加工;另外也采用调整切槽铣刀直径的方法来加工,此时基准面仍然采用原来的基准面,但应采用垫楔形块方式来调整角度。

梯形多榫在铣床上加工时,如图3.8-4(b)所示,工件的两侧需用楔形垫板夹住,所垫楔形垫板的角度与所要加工梯形榫的角度相等,当第二次定位时,需将楔形垫板翻转180°,使工件以同样角度向相反方向倾斜,同时在工件下面增加一块垫板,采用的刀具是切槽铣刀或开榫锯片。

燕尾形多榫的榫头与榫槽也可以在单轴或多轴的燕尾榫开榫机上,采用锥形端铣刀沿梳形导向板移动进行加工。如果加工燕尾榫头的数量不多,可以采用使工作台面或刀轴倾斜一定角度,或用辅助夹具以保证形状的正确性,但应先将零件精截;如果加工批量比较大,则要采用专用机床如图3.8-3。如图3.8-3所示的加工方式能够实现补偿功能,即刀具磨损后,因为同一把刀既加工榫头又加工榫眼,因此两者的配合还是相当好。台湾产燕尾榫专用设备是通过一排锥形铣刀,一次加工出燕尾榫头和榫眼,也可以一柄刀头加工出各种式样的、多种规格尺寸的燕尾榫和直角箱榫(马牙榫),有手工进给和机械进给两种方式,这样加工的配合精度比较高。意大利OMEC公司生产的F11CN型开榫机采用气压固定需要加工燕尾榫和梯形榫的两块工件,输入需要加工的参数(榫高、榫宽、榫颊与榫肩的夹角及榫间距等),铣刀可以一次性快速地完成铣削加工,榫配合精度很高。该机床可以加工零件长度为150~1500mm,宽度为60~770mm。传统燕尾榫结构(参见图3.8-5)更适合采用下轴铣床与模具一起加工,而不能采用意大利新型设备加工。

图3.8-5 传统燕尾榫结构

长圆榫已经广泛应用于现代家具结构。长圆榫开榫机由圆锯片和组合铣刀组成,锯片用于截榫端,铣刀用于加工榫头的榫肩和榫颊。只通过组合铣刀也能完成整个榫加工工作。将方材安放在工作台上利用气缸进行压紧,当转动着的刀轴按预定轨迹与工作台作相对移动时,即可加工出相应断面形状的长圆形榫或圆榫,这种榫配合精度高,互换性好。如将工作台面调到规定角度,还可在方材端部加工各种斜榫。长圆形榫机铣刀的运动轨迹与工作台的之间的配合可以加工出如图3.8-6所示的长圆形榫。

图3.8-6 长圆形榫头

意大利OMEC公司生产的TSG2T类型机床,其运动轨迹决定了榫头的宽度和厚度,而榫头的长度主要决定于圆锯片与组合铣刀的相对位置,一般具有两个工作台,其中一个工作台用于装卸料,另外一个工作台用切削加工,工作台面上导轨可沿着刻度转一定角度,用于加工图3.8-6中的(c)或(d)工件,如采用TSG2T设备加工其参数:α 角值为5°~45°,θ 角值为20°~90°,榫头的厚度为0~42mm,榫头的宽度为0~115mm。这类机床的加工精度比较高,类似于镜框的结构所需的榫头和榫眼配合,都能达到非常准确和紧密。与长圆形榫头相配合的榫眼的加工,详见榫眼加工。图3.8-6(d)工件的尺寸(长度、宽度)可以是比较大的,例如该零件可做椅子的背板等。刀具与专业机械内容,请参见本书相关章节。

复习思考题

1.典型榫头加工方法及要点是什么?

2.新式燕尾榫与传统燕尾榫异同点是什么?新式燕尾榫的加工方法是什么?

3.长圆形榫与直角榫的异同点是什么?长圆形榫如何加工?

4.直角榫加工优缺点是什么?

3.8.2 榫槽加工

家具的零、部件,除采用端部榫接合外,有些还需沿宽度方向实行横向接合或开出一些槽簧,这时就要进行榫槽加工,常见的榫槽形式,如图3.8-7所示。

图3.8-7 榫槽

榫槽加工有的是顺纤维方向切削,有的是横纤维方向切削,顺纤维切削时,刀头上不需要装有切断纤维的割刀。

图3.8-7所示中,Ⅰ为镂铣机加工;Ⅱ为开榫机加工;Ⅲ为下轴铣床加工;Ⅳ为精密推台锯(圆锯机)、压刨和四面刨床加工,后两机床加工参见型面加工。

Ⅰ列所示零件加工示意图,更适合于幅面板材面上加工,特别是其幅面的尺寸超过了压刨和四面刨的加工范围,而又必须在幅面上开槽的生产情况。Ⅰ-2、Ⅰ-4所示工件也适用于方材加工,例如椅子的后腿。Ⅰ-2所示工件也可以在悬臂式圆锯机加工,只要把锯片换成铣刀即可。

Ⅱ列所示零件加工示意图,比较适合于在零件的边部进行开槽,可以是幅面材料也可以是方材,但不适合于将槽开在偏离边部较远的位置。Ⅱ-5所示是将零件齐头后,利用圆盘铣刀在零件的端部开槽。

Ⅲ列所示零件加工示意图,比较适合于在零件的侧边开槽,对于方材零件要求其具有足够的夹紧位置和空间,可参见型面加工。也可以对Ⅱ-3、4所示加工,只需更换不同的刀具就可以达到加工要求。但是两种榫槽形式在铣床上加工时必须将刀轴或工作台面倾斜一定角度。

Ⅳ列所示零件加工示意图,Ⅳ-1、2是利用圆锯机加工,所开槽宽度一般较窄,3~5mm居多,即所用锯片锯齿的宽度,这一类槽主要是用在家具背板、抽屉底板等处,用于作背板的人造板材(主要是胶合板)的插入。Ⅳ-3是在压刨或四面刨上加工,适合于较窄且薄的零件开槽。例如在椅子望板上开用于软包的槽,就适合于这种加工。

可用无割刀开槽锯片加工榫槽的机械如:单轴铣床、开榫机、四面刨床和数控镂铣机,当槽宽小于4mm可用手工或机械进料,但是当榫槽宽大于4mm只能用机械进料;能用带割刀的可调组合开槽铣刀的机械有单铣床和四面刨床,一般是用垫圈调节切削宽度,可以对木材的顺纹、横纹、端头进行切削。

Ⅱ列、Ⅲ列的四种榫槽都可以采用平刨、压刨及四面刨进行加工,只是一般适合于在零件的长度方向上加工。为了保证尺寸精度,应该正确选择基准面及刀具,并使工作台面、导尺和刀具间保持正确的相对位置。根据榫槽的宽度来选用刀具,被加工宽度较大的应采用上下水平刀头,被加工宽度较小的用垂直的立刀头。

如果Ⅰ-2零件需要加工的尺寸较长即开出较长的槽,这可在铣床上加工,切削深度决定于刀具对导尺表面的凸出量,切削长度用限位挡块控制。这种方法是顺纤维切削,所以加工表面质量高,但缺点是加工后两端产生圆角,必须有补充工序来加以修正。Ⅲ-1零件,如果需要加工的尺寸也较长,则要将铣刀头转90°沿长度方向切削,但必须修补留下的圆角。

合页槽加工方法有三种:一种在专用的起槽机上进行加工,由两把刀具组成,一把上下运动,这一种方法适用于大量采用合页连接生产情况;第二种对于深槽在立式上轴铣床上用圆柱形端铣刀加工,但须有补充工序消除圆角,如图3.8-6中Ⅰ-1所示;第三种利用手提镂铣机进行现场加工,也得补充消除圆角。

复习思考题

1.典型榫槽加工设备是什么?

2.采用锯类加工槽与铣刀加工槽的异同点是什么?

3.8.3 孔眼加工

榫眼和各种圆孔基本是家具中零、部件的接合部位,孔的位置精度及尺寸精度对于整个家具的接合强度及质量都有很大的影响,因而榫眼和圆孔的加工也是整个加工工艺过程中一个很重要的工序。

常见的榫眼和圆孔形式有长方形榫眼、长圆形榫眼和圆孔,如图3.8-8所示。

图3.8-8 榫眼、孔

传统的榫眼是长方形榫眼,如图3.8-8(a)所示。方眼打眼机采用方形空心套和麻花钻芯来完成打眼任务,此法加工精度相对较高,能保证配合紧密。方形空心套的尺寸多数为10mm×10mm,因此要想打长方形眼则是移动零件,而榫眼的宽度多数为10mm。

如图3.8-8(b),长圆形榫眼,主要采用可移动工作台的单轴立式榫槽机,与TSG2T加工的长圆形榫相配套的MOD或MOA型加工长圆形榫眼的机床,卧式单轴槽钻床,立式上轴铣床等设备上加工,采用钻头或端铣刀。其尺寸主要决定于端铣刀或钻头的直径,但是长度是通过移动零件或刀具来完成的。

意大利产MOD或MOA型长圆形榫眼加工设备主要是主轴部件往复移动,零件被固定的工作台上,MOA是单头的,即在一个工作台上装卸零件或切削零件;MOD是双头,分别在两个工作台上装卸或切削加工,原理是一个工作台上的刀头做进给运动,准备切削,另一个工作台上的刀头就做退回运动,准备卸载。如果这两个型号设备刀头都不做往复移动时,可以用来加工圆孔。该设备的工作台是可以调整角度的±20°,刀头往复移动距离为0~120mm,最大榫眼宽度为50mm,榫眼深度为0~80mm。

单排钻也是打眼常见设备,如图3.8-9所示,机构1为钻套,机构2为标尺,机构3为钻坐,机构4为旋钮,机构5为靠山,机构6为钻头。单排钻能够将排钻头从水平旋到垂直状态中的任意位置,因此其打端部孔具有相当优势。特别适合零部件端部成一定角度的端部打孔,且符合32mm系统,如箱体板45°对接,以及45°角拼框。

图3.8-9 单排钻

六排钻是批量打孔生产主要设备,如图3.8-10所示。六排钻有六个钻架,其中两个水平是整体钻架,而四个垂直钻架分别分成可以转动90°的钻架。六排钻打孔符合32mm系统规范。六排钻是自动定位,一次只能实现一次定位,而三排钻一次可以实现四次或六次定位。最新型号六排钻有两套系统,即可以分成两个完全独立的三排钻来用。

图3.8-10 六排钻

垂直板面打孔时,排钻打孔时施加了压力,因此孔深要小于板厚4mm,否则容易在打孔对面板面出不平现象,特别是亮光油漆表现更明显。

板式家具门铰链打孔有专用设备,且一次可以完成一扇门打铰链孔任务。

另外,长圆形榫眼的加工设备还有更专业机床,例如对于斜榫眼的加工,弯曲零件上榫眼的加工等。

在薄板上加工直径较大的圆孔时,常在刀轴上装一刀梁,刀梁上装一把或两把切刀,刀轴旋转时,切刀就在工件上切出圆孔。此外,也可用不同直径的圆筒形锯片加工较大的圆孔,如图3.8-8(c)所示。

薄的胶合板也可以按金属加工冲压机床的工作原理进行冲压加工。

如果要在木材、层积材及集成材等材料上钻阶梯孔,采用高速钢钻头,它适用于软材与硬材,而硬质合金则适用于硬材、热带材等。如果要钻盲孔,则应该选用具中心钻尖与割刀的钻头;如果要钻通孔,则应该用具V形刀。适用机械为固定式钻床和手提钻机。如图3.8-11所示。

图3.8-11 钻头与孔
(a′)整体的钻头 (b′)组合钻头 (e′)铰链式钻头

扩孔用钻头有两种,一种为固定式,加工时分二道工序;另一种为可卸式的,都可以与固定式和手提式钻适用。如图3.8-11所示钻阶梯孔有几种形式:①整体阶梯钻头完成;②采用可卸式钻头完成;③分两道工序完成;三种方式特点:第一种钻孔精确,定位准确;第二种比较灵活,式样较多;第三种形式加工精度较差,定位不准。

销孔钻头是用于铰链孔钻床和自动钻床配套的,主要用木材、层积材或其它的木材料。所钻孔如图3.8-11中(e)和(e′)所示,该铰链孔可以采用专用钻床或多排钻进行加工。

各种直径的圆孔,加工时应该根据孔径大小、材料类型、零件的厚度、孔的深度来选择不同的刀具和机床。直径小的圆孔可以在钻床上加工,如果在工件上需要加工的数目较多时,宜用多轴钻床,以提高生产率,特别是能提高孔间距离的精度,有利于提高装配的精度和效率。

对于斜面上的打孔有专用设备,它主要是定位上方便,加工孔的间距比较准,另外加工孔与斜面的角度也比较灵活。如果在生产中没有该专用设备,斜面的打孔也可以做一模具,在水平刀轴的钻床上或在刀轴可旋转角度的单排多钻钻床上(一般角度为90°)定位加工,只是定位稍差一点。

在单轴立式钻床上钻圆孔可以按划线或依靠挡块、夹具和钻模来进行。划线钻孔有时会因钻头轴线和孔中心不一致,而产生加工误差,如使用定位挡块定基准,即能保证一批工件上孔的位置精度。若配置在一条线上有几个相同直径的圆孔,则可用样模夹具来定位。对于不是配置在一条直线上的几个孔,宜用钻模进行加工,工件一次定位后只需改变钻模相对于钻头的位置,即可依次加工出所有的孔。对于孔的位置要求较高时,可以采用多排钻。在钻床上加工孔的切削速度取决于材料的硬度、孔径的大小和孔的深度,随着孔深和孔径的增大,钻头定心的精度会降低。

复习思考题

1.各种排钻打孔特点与适用范围是什么?

2.如何加工阶梯孔?采用何种设备?

3.45°斜面如何打孔?

4.如何确定打孔深度?

3.8.4 直线形零件加工

家具的一些零、部件由于使用或造型的要求,有时需加工成各种型面及曲面,型面和曲面通常是按照要求的线型采用相应的成型铣刀或端铣刀在各种铣床上加工。有些加工还需借助于夹具和模具。

从图3.8-12可以看出,图3.8-12(a)和(k)中零件的形状特征为断面上具有型面,而零件的长度方向上是直线,故一般采用成型铣刀进行加工,可以在下轴铣床、四面刨及木线机上进行加工,刀具相对于导尺的伸出量即为需要加工型面的深度,加工时工件沿导尺移动进行铣削。

图3.8-12 典型的形面和曲面

当断面尺寸比较小时,采用四面刨和木线机加工比较安全,同时生产效率也较高,但操作时零件要放置稳妥,应将四面刨的垂直立刀头换上成型铣刀再加工。尽管四面刨加工出的线型精度较高,但是对于材料质量要求也较高,而木线机对于材料质量要求则较低。当断面的尺寸比较大时,采用下轴铣床铣加工是比较经济的。如果改换成型铣刀的形状,则可以加工出相应其它截面形状的零件。

如图3.8-13所示,四面刨加工零件形状特征是等断面零件。零件断面形状越复杂,需要四面刨刀轴越多。

图3.8-13 四面刨加工零件断面形状

四面刨包含了铣和刨两个方面功能,随着四面刨刀轴数量不同,其功能分布也不相同。如图3.8-14所示,四面刨为六刀轴,刀轴1为平刨功能,刀轴2和刀轴3为铣削功能,刀轴4和刀轴5为刨削功能,刀轴6为万能刀轴。万能刀轴可以加工复杂的零件形状及在零件表面压文字等。

图3.8-14 四面刨

图3.8-12(k)中零件属于家具装饰线条类,可以在四面刨床、压刨床和木线机上加工。四面刨加工木线要求板材变形要小,但零件加工精度很高。压刨和木线机加工木线时,对于原材料要求相对较低,但所加工木线表面质量和木线的精度都较四面刨低。

复习思考题

1.能够加工直线形零件的设备有多少种?

2.四面刨加工零件形状有何特征?

3.8.5 曲面形零件加工

图3.8-12(b)零件形状配料时,应该先用曲线锯锯出粗坯,然后采用压刨加工两个弧面,零件的幅面可以较宽,弧线较长,该方法适合于产量大的生产情况,同时被加工零件的厚度要前后一致以及弯曲度要小,要有模具配合才行,该方法浪费材料较多,为了得到符合要求的表面质量可能要反复操作几次。当零件的弧线长度短到一定程度无法进料或零件的厚度不一致时,则不适合采用该方法加工,但可以在下轴铣床上加工,只是该零件的尺寸必须满足夹紧的需要,该方法加工不太安全。加工该零件的最佳方法是采用实木弯曲或薄木(单板)胶合弯曲的方式进行生产,这部分内容在有关章节进行介绍。该零件的两个侧边,可以采用自动靠模双立轴机加工。

图3.8-12(c)零件一般采用立式仿形铣床进行加工。如图3.8-15所示,其工作原理是按零件形状、尺寸要求先作一个样模(可以是金属,也可以是木质的或其它材料,要求有一定的强度和刚度,不易变形),将仿形辊紧靠样模,样模和工件都绕自身轴线作同步回转运动,而安装在仿型刀架上的铣刀,除主切削运动外,还有仿形刀架与仿形辊作沿零件纵向和半径方向的同步进给运动。仿形辊滚过样模的过程也就是铣刀同步切削零件的过程,从而将零件加工成与样模尺寸、形状都完全相同的复制品。

新型仿形铣带砂光功能解决了复杂仿形零件砂光困难。砂光要求形状保持率要高,而复杂的形状通过手工控制力量和方向比较困难。新型仿形铣仿形铣削时,其仿形辊与杯形铣外轮廓相同,而仿形砂光时,其仿形轴与包裹砂光驱动辊相同,从而实现仿形砂光,且形状保持率极高,表面质量良好。如图3.8-15所示,机构1为仿形辊,机构2为模具,机构3为工件,机构4为杯形铣刀,机构5为顶针,机构6为砂带,机构7为仿形柱,机构8为砂带从动轮。新型带砂光立式仿形铣床不同于传统仿形铣床,如通过与机构8砂带从动轮相同的机构7仿形柱沿着机构2模具移动,模具与工件3同步自转,因此完成了与模具完全相同的仿形砂光任务,砂光形状损失率极低。

图3.8-15 立式仿形铣床

仿形铣与车床区别:

- 加工产品不同。车床只能加工回转体,而仿形铣床能加工包括回转体在内的圆滑零件。

- 工具不同。车床采用车刀,能够加工各种表面特征零件,而仿形铣床只能加工平滑表面零件。

- 加工数量不同。车床一次只能车削一个零件,而仿形铣床一次铣多个零件。

- 原理不同。车床只有零件旋转,而仿形铣中刀具和零件分别旋转。

- 模具不同。车床采用的模板,即回转体的剖面外形,而仿形铣床采用模具,不能采用模板仿形。

仿形铣床所能加工零件的形状受到仿形辊轮曲率半径的影响,同时也受到加工时杯形铣刀的曲率半径影响,换言之,曲线的曲率半径要大于仿形辊的曲率半径,杯形铣刀的曲率半径要小于被加工曲线的曲率半径,否则加工不出来或曲率不符合要求。仿形铣床加工时,零件的加工精度主要决定于样模的制造精度和刀具与工件之间的复合相对运动是否协调以及杯形铣刀的半径大小。一般仿形铣一次可以加工3~6个零件,常见的机床参数:铣刀的直径15~250mm,加工零件的直径75~250mm,加工零件长度150~750mm,常用杯口刃直径26mm或40mm。

图3.8-12(d)零件,一般将配好的方料先在平刨上加工出基准面,然后可以利用压刨或利用四面刨将零件的四个面都刨光,(如果需要打孔,先打完孔再进行下一道工序,这样定位准确),再在车床上加工出符合要求的旋转体,最后在上轴铣床(镂铣机)上铣出相应的槽线,槽线间的角度由零件端头的方形部分与夹具配合进行控制定位。

图3.8-12(e)零件,如果是实木则是已经胶合后的材料,其边部是由上轴铣床(镂铣机)或下轴铣床利用成型铣刀铣削而成的。其中间部分的图案及线条是由上轴铣床利用模具铣削而成的。如图3.8-16所示。

图3.8-16 镂铣机(立式上轴铣床)
1—仿形定位销 2—端铣刀 3—零件 4—样模

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。为了完成上述的任务应配有相应的模具与铣刀。其原理是将被加工零件与模具固定在一起,在模具的背面(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。使仿形曲线凹槽依靠在可升降工作台面上凸出的仿型定位销(又称导向销,一般伸出高度为6mm)移动,由于导向销的轴线与铣刀的轴线在同一条直线上,故在零件的表面加工相应的曲线,如果再变换铣刀的形状,则可加工多种式样的图案。

镂铣机加工零件的原理:通过刀具轮廓形状来加工形面,如端铣刀外轮廓为弧面,则可以加工零件边形为弧面。形面的形状需要通过模具与定位销或其它定位装置配合完成形面路线控制。

图3.8-12(f)零件,可以在模具的配合下在立式单轴下轴铣床、立式双轴下轴铣床及回转工作台仿形铣床上加工。

仿形铣可以分为立式和卧式。立式仿形铣主要用于圆柱形零件的加工,例如椅子前腿、茶几腿等形状比较复杂、曲面较多的零件。

卧式仿形铣一般都带有回转工作台,主要用于板材的边部铣削或板材内径的铣削,所以该铣床也适合类似于图3.8-12(e)零件的外边缘加工。卧式回转工作台进给的铣床加工示意图3.8-17所示,机床参见图2.4-36所示。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。在回转水平工作台上固定有样模,零件被安装在样模上之后,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,挡环紧靠在样模的边缘,并随样模曲线形状改变而改变,从而带动刀具铣削被加工零件的边缘。零件的装卸和加工可同时进行,工作行程时间和辅助时间相重合,所以生产率高,适合于大量生产,一个样模上可安装多个零件,常见安装方法为零件成对安装,例如2个或4个零件等。

图3.8-17 卧式回转工作台仿形铣床
1—挡环 2—铣刀 3—夹紧装置 4—被加工零件
5—样模 6—回转工作台

双头下轴铣床由两个旋转方向相反的刀轴组成,常用机床类型其两刀轴间距是固定不动,切削是用固定有被加工零件的样模边缘紧靠挡环移动来完成,一般是手工进料。在铣床加工零件过程中,应该尽可能地顺纹理切削,以保证较高的加工表面质量。原理示意图如3.8-18所示,双立铣参见图2.4-33所示。

图3.8-18 双轴下轴铣床
1—左旋铣刀轴 2—右旋铣刀轴 3—挡环 4—工作台

如果铣削过程中出现逆纹理切削时就应立即改用双头下轴铣床另外一个转向的刀头进行加工,从而实现顺纹切削。由此可知,采用具有转动方向相反的两个刀轴的下轴铣床,能使操作者在不用换夹具或换机床情况下,迅速地根据零件纤维方向选择顺纤维方向切削,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,因为避免了再次装夹的工序,减少了装夹误差。

无论采用那一个转向的铣刀头对于加工部位的曲率半径较小时,都应适当减慢进料速度,以防止切削部位产生劈裂。双头下轴铣床的工作台上有滑槽,如果在其上面安装导尺,此时就能起到单头下轴铣床的作用。

图3.8-12(g)零件可以在下轴铣床完成其曲面加工。为了保证样模边缘始终靠紧挡环,所用挡环的半径必须小于被加工曲线中最小的曲率半径,否则不能加工出符合设计要求的曲线面。下轴铣床加工原理参见图3.8-19,此时不需安装靠山以方便样模的自由移动。

图3.8-19 下轴铣床加工示意图
1—样模 2—零件 3—刀具 4—挡环

如果需要加工很小的曲率半径时,可以利用悬臂式万能圆锯的刀头上安装成型铣刀进行加工,生产率可以显著地提高,但因为是横纤维切削,所以加工质量不太高。同样也可以采用镂铣机进行加工形状曲率半径很小的零件,也是采用成型铣刀进行切削,一般每次走刀的切削量应较少,应多次走刀才能完成,然后砂光即可。

下轴铣床有带可移动工作台和不带移动工作台两种,前者主要用加工板、方材的开榫,后者适合利用样模加工曲面或线条,通常采用手工进给。采用下轴铣床加工时,挡环可以装在刀头的上方或下部,如图3.8-19。铣削尺寸较大的零件周边时,挡环最好安装在刀头之上,以保证加工质量和操作安全;当加工一般的曲线形零件,切削量较少时,为使零件在加工时具有足够的稳定性,宜将挡环装在刀头之下。

下轴铣床可以手工送料和自动送料器送料。自动送料器主要在加工木线和铣削零件侧边形面时采用比较多。送料器如图3.8-20所示,机构1为转向结,机构2为手轮,机构3为垂直立柱,机构4为水平柱,机构5为底盘,机构6为橡胶轮。为了适应零件在加工机构位置要求,通过机构1、机构3和机构4的调整,可以实现机构6橡胶轮送料目的。

图3.8-20 履带式自动送料器

图3.8-12(h)零件先用细木工带锯机加工出留有一定加工余量的弯曲形毛料,然后在压刨床上利用模具加工成弯曲零件,如果零件较厚也可采用下轴铣床加工其两个弧面,最后再用自动靠模双立轴铣床进行加工其两个侧面的型面,如图3.8-21所示。模具目的是帮助立刀头铣削侧型面,辅助模具是为适应弧形零件的弧度。当采用辅助模具后,刀轴能始终处于弧面的法线位置,这与采用下轴铣床加工所铣削的结果完全不同,因为下轴铣床加工不可能使刀轴始终处于弧面的法线位置,因此铣出的边型很可能会移位。

图3.8-21 自动靠模双立轴铣床

双靠模双立轴铣床可以同时加工两个完全不同形面,可以是同一个零件两个侧面,也可以是两个独立的零件。可以加工直线形零件的形面,也可以加工弯曲形零件的形面,加工曲线形零件形面时,需要借助特殊夹具定位。

该零件弧面比较理想的加工方法是采用木材弯曲技术把实木或单板(薄木)弯曲成符合设计要求的弧形零件,然后再利用自动靠模双立轴铣床进行加工。

双靠模铣还有一种数控机,如图2.4-37所示CNC仿形铣。CNC可以完成铣形和砂光等多道工序。没有模具也可以通过计算机建模后,依计算机模型加工相应零件。

图3.8-12(i)是一个类似椅子前腿的零件。先应该进行毛料加工得到准确的外形尺寸后,再进行打孔或眼,这样定位准确便于连接装配,反之装配精度下降,通过压刨加工出圆弧面,且要与三角形定位的夹具和模具配合来完成,然后倒角等。如果采用四面刨加工,则上水平刀头应换为成型刨刀才能完成形面加工。

图3.8-12(j),如果该零件螺旋纹较浅时,可以采用圆榫机先加工出圆榫,其工作原理如图3.8-22所示(进给方式有手工进给和机械进给两种,能加工直径为5~100mm),然后再滚压出螺旋纹,最后再将圆柱形零件一分为二,作为家具的装饰线条。如果该零件螺旋纹较深,可以采用圆榫螺旋机进行加工,该机能加工直径为10~100mm的零件。操作简单,将预先加工好的小方条输入机械内,圆榫螺旋机将根据预先调整参数自动切割出需要的螺纹,自动进料,生产能力3~5m/min。采用数控车床来加工该零件是最好的方案,而且可以控制其螺旋组技术参数。

图3.8-22 圆榫机
1—零件 2—刀头

图3.8-12(m)零件为马桶盖。为了充分提高木材提高率,通常采用拼板进行配料,先画线再锯解。曲线锯解主要采用细木工带锯机完成,中间圆孔采用先打孔,再用线锯锯解曲线即可,也可以采用镂铣机的端铣刀来铣出马桶盖的内圆。马桶盖外边形面和形边通过刨花机或自动仿形铣来完成。采用回转工作台仿形铣要选择台面较小型号。具体参见自动仿形铣的工作原理。

图3.8-12(n)零件可以在普通车床、背刀式车床、仿形车床、成形刀专用车床及数控车床进行加工。车床加工的零件一定是回转体。普通车床加工零件,通常是由手控进刀量和速度,因此非常有可能加工出的产品外形与设计有一定的误差。如果批量生产,采用仿形车床才容易做到被加工零件外形完全一致。采用背刀式车床也能达到同样效果,且表面质量较高,但是背刀设计、制造、刃磨和安装需要一定技术,因此背刀车床更适合大批量生产。采用背刀式车床、仿形车床及数控车床均可以非常准确地加工出与设计相同的零件,如果批量生产也能做到完全一致。如图3.8-23所示。

图3.8-23 车床原理图
(a)背刀式车床 1—刀具 2—零件
(b)半自动仿形车床 1—零件 2—车刀 3—移动刀架 4—仿形辊 5—样模

背刀式车床的加工精度高,主要仿形刀架上触针沿靠模板曲线移动比较灵敏,所以能完成复杂外形零件的精确车削,其第一步粗车,第二步利用精车刀精车(得到预定的形状与尺寸),可根据形状不同自动调节进料速度。其背刀刀架上装有组合式车刀,能在最后精细修整零件表面,从而得到最理想的表面粗糙度。

半自动仿形车床,如图3.8-23中(b)所示。主轴作回转过程中,刀架在丝杆螺母机构推动下作平行于被加工零件轴线的运动,同时,在弹簧力的作用下仿形辊紧靠着模板的曲线运动,实现车刀的横向进给,从而车削出与模板曲线相同的零件轮廓。

成形与反廓形主要用于配合零部件之间加工,如实木门、带形面的相互交叉零部件。成形与反廓形切削可以用下轴铣床、刨床、双面开榫机、封边机、CNC机床等,主要加工硬木材的顺纹和软木材的横纹和顺纹及其它木质材料的零件,刀具为单件刀具或组合刀具,带割刀可用于成形搭口加工。如图3.8-24所示。

图3.8-24 成形与反廓形

木材和木质材料修边镂铣,与手提镂铣机配套修边镂铣刀分:有导环刀具和无导环刀具。有导环就是在刀具下端增加了一滚珠轴承,主要用于带模板的切削,切削的角度分为0°、25°、45°;无导环刀具主要是靠导板或仿形销而切削。类型有:直角修边镂铣刀、直角/斜面修边镂铣机、斜面修边镂铣刀、1/4圆镂铣刀。有导环的刀具仅圆柱表面进行切削,而无导环的刀具则是圆柱表面和端面都进行切削。如图3.8-25所示。

图3.8-25 修边镂铣刀
(a)无导环 (b)有导环

铣削外表面型面时,用手工进料由于受工件及夹具重量的影响,一般进料速度为1~15m/min,可按型面轮廓的形状及要求的加工质量来选定,而机械进料时,其进料速度是固定不变的,所以只能根据加工质量要求,按图来选定,铣削硬阔叶材的进料速度应该比软材低,沿挡环铣削时的进料速度须比沿导尺铣削时低25%~30%。

家具的有些装饰零、部件,在工业化生产中,通常是在上轴铣床之类的机床上进行浮雕加工。这类铣床可以是单轴或多轴,由工人操作或数控装置自动控制操作。在普通单轴上轴铣床上进行雕刻加工,只需将设计的花纹先作成相应的样模,套于仿形销上,根据花纹的断面形状来选择形状。如图3.8-26所示。但是由于工人技术水平不同,加工质量往往会有差别,而用数控机床则可以根据已定的程序进行自动操作,既降低了工人的劳动强度,又能保证较高的加工质量。花纹较浅的零件可以在热模压花机上直接压成。此外,还可用激光加工技术来进行雕刻加工。

图3.8-26 在刨花机上加工装饰线

现在家具采用实木的装饰线也越来越多,它们加工主要在木线机和刨花机(带数控的)进行加工,当然,这些线条也用于室内装修。

圆柱形零件的加工可在圆棒机或手动、半自动或自动进给的木工车床上进行。圆榫机只能加工出等断面的零件,而木工车床在工件长度上除能加工成同一直径外,还可以车削成断面的或在表面上车削出槽纹,但是车床要求被加工零件的直径较大,即要求其有一定的刚度。如果采用专用设备圆榫螺旋机不仅能够加工各种直径的圆榫,还可以加工带旋转螺纹的圆榫,也可以加工各种拉手、木质销钉及木珠等。

CNC是一个加工中心,它通过真空吸引力将零件固定在工作台上,有一个或两个工作台之分。设两个工作台目的是为了节省时间,一个工作台装零件,另一个可以正在加工。它可以对被加工零件进行6个自由度的加工,可以钻(具有多种规格直径的钻头,可以水平,也可以垂直多角度的加工)、铣(多种铣削刀头,可以多角度铣削)、锯、砂。它可以根据事先设计好的程序自动换刀,并且无论是钻孔的深度,还是曲线的形状都是准确无误,不用试加工。对于复杂形状的零件加工及刻字更能显出其优越性。

总之,加工这些零件必须与模具相配合才能加工出符合设计要求的产品。

表3.8-1 砂带粒度代号

复习思考题

1.仿形铣与仿形车床的加工范围有何不同?操作要点有何不同?

2.立铣与双立铣异同点是什么?

3.背刀车床与仿形车床加工车削零件的异同点是什么?

4.双靠模铣与立铣加工零件异同点是什么?

5.如何加工正反轮廓的形状零件?

6.列举依靠挡环加工零件形状的设备,且说明如何加工定位。

7.大型餐桌台如何实现边部铣形?

8.如何利用送料器和单立轴加工木线条?

3.8.6 零部件砂光

木家具零、部件表面质量直接影响后面的油漆工序,所以对前面切削加工过程中,因刀具的安装精度、工艺系统的弹性变形以及机床振动等因素影响,而在工件表面上留下微小的凹凸不平,或在开榫、打眼过程中使工作表面出现撕裂、毛刺、压痕等现象。为此,应进行砂光才能达到油漆工序的要求。有时砂光也用来倒棱角或加工有些型面曲线。

木质零、部件进行表面修整方法也比较多。主要有净光和砂光。净光属传统木质零件表面修整方法,对于方材、平整板材表面比较适用,顺纤维方向刮削,每次刮削厚度?0.15mm,目前在家具生产过程中基本上被砂光机所替代。

常见砂光机根据使用功能可以分为通用型和专用型,根据设备安装方式不同可以分为固定式和手提电动工具式。通用型如图2.4-46所示,宽带砂光机主要针对板材砂光,如换上不同的砂带也可以对油漆表面砂光;垂直带式砂光机的立辊是包裹海绵的,所以有一定的适应性,可以对曲面及小规格尺寸零件进行加工,并且可以进行角度调整,从而适应性更强。某些零件形状比较复杂,零件在砂光时,即要保持其形状,又要使其复杂的表面光滑,所以一般采用专用的砂光机。如图3.8-12(n)零件车床加工以后,就应采用专用砂光机砂光,即采用外轮廓与车削零件的外形相符合砂光工具进行砂光。

在家具行业使用最多是带式砂光机,而其最关键组成部分为砂带。砂带常见形状有带式、宽带式、盘状(片状)、卷状及页状等,砂带是由基材、胶黏剂和磨料三部分组成。基材主要采用棉布、纸、聚酯布和刚纸(强度比较高的纤维纸);胶黏剂主要采用动物胶和树脂胶(部分树脂胶、全树脂胶和耐水型树脂胶);磨料主要由人造刚玉(棕刚玉、白刚玉、黑刚玉、锆刚玉等,又称氧化铝)、人造碳化硅(黑碳化硅、绿碳化硅等)、玻璃砂等组成。

木材磨削是利用磨料进行切割木材表面的过程,因此磨削的质量取决于磨具的特性、磨料粒度、磨削方向、磨削速度、进料速度、压力及木材的性质等因素。

一般磨料的粒度越小,磨削量随之增大,生产效率越高,但是被砂光表面较粗糙。反之,磨料粒度越大,砂光后的表面越光洁。

一般应顺木纤维方向砂光,如果采用横木纤维方向砂光,砂粒会把木纤维割断,从而在零件表面留下横向条痕。对于较宽的板面全都是顺纤维砂光,则不易将表面砂光,因此现在的宽带砂光机一般采用砂架轻微地摆动,且砂带在轴向窜动,其目的是提高砂光质量和防止跑偏、滑脱。常见宽带砂光机为三砂架的,每一个砂架上的砂带都不同,先粗后细。如果先横后纵进行砂光,其生产率高,表面质量也光滑。

如图3.8-27所示宽带砂光机砂有四个砂光单元。第一砂光单元为定厚砂光单元,即能将不同厚的板件砂光成厚度相同的板件。第二砂光单元为横向砂光单元,主要起到将纵向不容易砂断的纤维素磨断,所得表面更光滑。第三砂光单元和第四砂光单元主要起到砂平和砂光前面砂光单元所留下的砂痕,得到符合要求的被砂光表面。

图3.8-27 宽带砂光机的砂光单元

砂光机的砂带对零件表面的单位压力的大小直接影响砂光的磨削量,压力越大,则磨削量越大,留在零件表面的磨痕也越深,表面也越粗糙。

砂光机的磨削速度与进料速度是一个相关联的因素。当进料速度一定情况下,磨削速度的提高有利于提高零件表面质量;当磨削速度一定时,提高进料速度虽然有利于提高生产率,但是不利于提高零件表面质量。一般木材材质硬有利于其表面砂光。

琴键砂光机的原理与普通宽带砂光机原理不同,如图3.8-28所示。琴键砂光机能够感应到板件进料时厚度,然后传给控制砂带压的砂靴,而普通宽带砂光机则是一个压力和一个厚度尺寸去砂光,因此被普通宽带砂光机砂过表面的边部容易被砂穿。琴键砂光机可以等砂削量砂光被砂零部件表面,还可以设定一定范围的砂光范围,同时允许被砂光板件砂光有2mm或更多的偏差,而不影响砂光质量。琴键砂光机属于数控机床,调机时设定的参数,可以存储等待某时再调用。

图3.8-28 琴键砂光机原理图

为得到与板面垂直的砂光边,采用振荡砂光机比较合适。振荡砂光机有一个工作台,工作台与砂带呈90°,因此以工作台为定位基准,向前推进砂光被砂板件的侧边就可以得到既垂直又光滑有边部,具体操作如图3.8-29所示。

图3.8-29 振荡砂光机砂光

家具的零部件直线型边部有平面、形面等形式。形面砂光一直是比较困难的工作,采用如图3.8-30所示的砂光机操作可以解决此类问题。砂带要求比较柔软,砂靴要求与被砂形面成反轮廓形状,白坯砂光效果比较好。油漆后形面采用此方法时,砂带容易黏油漆粉末而不能使用。

图3.8-30 形面砂光

手压砂光机在家具制造过程中使用频率比较高。主要用于平面和形面的砂光,可以光素板、贴直纹理木皮和拼花木皮,且能够做到被砂表面光滑。手压砂主要靠操作者的经验和技能,压力的大小和砂削方向和砂削量等技术参数均依靠人为控制,大批量砂光不容易做到完全一致。手压砂光机不适合高光漆表面的砂光。砂光操作如图3.8-31所示。

图3.8-31 手压砂光

盘式磨光机[图3.8-32(a)]:由于磨盘上各点的转动速度不同,因此磨削不均匀,只适合零件的端面等处磨削加工。

图3.8-32 砂光机的种类

下带式磨光机和垂直带式磨光机[图3.8-32(e)]:适合于磨削宽板的边缘及窄小零件。

上带式磨光机[图3.8-32(d)]、滚筒进料或履带进料的辊式磨光机,适用于宽板或木框的磨光。上带式磨光机虽然生产效率低,但使用灵活,尤其在砂磨胶贴零件时,可以随时根据表面情况调整压力,并及时检查砂光质量。

自由带式砂光机[图3.8-32(g)]和鼓式磨光机分别用于磨光圆柱形及曲线形、环状零件的内表面。

宽带式砂光机用于大幅面零件的表面砂光,有定厚砂光和表面砂光两种,前者能使被砂的零件表面光滑,同时也保证被砂零件的厚度比较准确;后者主要使被砂光的零件表面光滑。现在宽带砂光机在家具企业中应用的比较广泛,宽带砂光机也可以用于实木方材或板材的砂光,此类型宽带砂光机的宽度较窄,为600mm左右。

复习思考题

1.宽带砂光机与琴键砂光机的适应范围及原理异同点是什么?

2.常见砂架类型及工作原理是什么?

3.成形砂光方法及原理是什么?

4.手压砂光机与宽带砂光机的区别是什么?

5.如何实现板件垂直边的砂光任务?

3.8.7 零部件边部处理

人造板材侧边是吸水膨胀能力最强的部位,因此零部件的边部处理主要起到保护和装饰两种作用,其中保护功能是重中之重。零部件边部处理的方法比较多,最常见的方法有涂饰、包边、镶边和封边等,边部处理材料多数为PVC、木皮、实木条、ABS、三聚氰胺装饰板、铝合金等。

3.8.7.1 涂饰法

涂饰法是指用涂料在人造板边部进行涂饰来保护零部件的边部。涂饰法处理是比较传统的边部处理方法,目前应用比较少,主要是涂饰效果跟不上市场的需求。

3.8.7.2 镶边法

镶边法是指用镶嵌的方法来保护零部件的边部。主要镶边原材料有铝合金、塑料条(带倒刺)等。镶边法也属于比较传统保护零部件边部方法,目前在衣柜门等部位还有采用,其功能除了保护和装饰作用外,还有利用铝合金自身强度来防止箱门变形的功能。

3.8.7.3 包边法

包边法是指采用真空覆膜、包覆技术和后成型技术来处理零部件边部的方法。包边法有覆面材料与边部处理材料通常为一体材料,没有缝隙。包边法的真空覆膜和包覆技术是指贴与边部处理是同时完成的,而后成型则不同。后成型是先贴面,后包边处理。

如图3.8-33所示,机构1为控制面板,机构2为弯板装置,机构3为后成型过程。后成型是指采用装饰层积板贴面后,采用弯曲包裹的方法处理零部件的边部。后成型贴面材料要求有较强的抗弯性能,纯三聚氰胺树脂浸渍的装饰层积板弯曲性能最好,而装饰层积板中浸有酚醛树脂或脲醛树脂时,则弯曲性能就比较差,容易产生裂纹。

图3.8-33 后成型封边

后成型边部处理适合办公家具,边部强度比较高,而且不容易让水或其它液体进入板子边部而破坏板件。

包覆技术处理板件边部与软成型封边不同。包覆技术可以饰面与边部材料为同质一体,而软成型通常饰面材料与边部处理材料不是一体,可能同质或不同质均可。

如图3.8-34所示,软成型机械,可以包覆形面边部和平面边部。

图3.8-34 软成型封边

3.8.7.4 封边法

封边法是指板件表面贴面处理完毕,板件边部单独处理。通常采用软成型、直线封边和曲线封边处理等方法。常见封边法有:

- 软成型是指利用柔软封边材料将已经铣形的板件边部覆盖技术,先贴面再铣边部形面,然后再涂胶软成型封边。软成型封边条通常要求具有一定柔软性。如图3.8-35所示,软成型类型比较多,主要有直接封边式和镶入式两种,其中镶入式外观效果比较好,软成型封边式则会在板面上有条白线,即软成型封边的横断面。软成型形面越复杂,则调试软成型封边机的滚轮越复杂。软成型原理:MFC板边部经过铣刀铣形后,再采用柔软容易成形的封边条,经过涂胶,滚轮滚压,修缝等工序完成软成型封边。

图3.8-35 软成型类型

- 直线封边是指将板件直线边部包裹的技术。直线封边主要采用直线封边机,其封边常见封边材料有PVC、木皮和木条等。直线封边机通常功能有预铣、涂胶、加压封边条、齐头、修边、倒角、拉槽、抛光等。如果是实木条或木皮封还有砂光单元,如图3.8-36所示。封边类型如图3.8-37所示,材料1为实木封边条,材料2为刨花板,材料3为PVC封边条,材料4为木皮封边条。所用胶种为EVA热熔胶,有低温和高温之分,低温温度为160~180℃,高温热熔胶熔融温度为180~220℃。

图3.8-36 单边直线封边机示意图

图3.8-37 封边类型

- 曲线封边主要是通过人工转动板件实现。曲线封边机也可以封直线边部。曲线封边机有单面涂胶和双面涂胶,双面涂胶胶合强度更高。如图3.8-38所示。

图3.8-38 曲线封边机示意图

包边法与封边法不同之处是包边法中的边部材料与板件表面贴面材料为一体,而封边法的封边材料与板件表面贴面材料不一定是同质材料,而且两者之间有缝隙。

复习思考题

1.板件边部处理方法的适应范围是什么?

2.软成型封边与包边法边部处理有何异同点?

3.直线封边机与曲线封边机的加工特点有何异同?

3.8.8 辅助加工

使用夹具和模具的主要目的是能迅速而且正确地定位和夹紧,从而达到扩大机床的使用范围。夹具可以自制或购买商品,而模具一般为企业根据自身需要而自制的。夹具是否科学合理既涉及生产效率又涉及生产安全。

3.8.8.1 夹具功能

(1)保证零件的加工精度:零件在机床定位时,由夹具来保证零件与刀具间的正确相对位置,可省去划线工序,并能提高加工精度和加工质量。

(2)有利于提高机床的生产率和降低产品成本。

(3)扩大机床的应用范围。

(4)有利于平衡生产。

(5)减轻劳动强度,使操作安全。

3.8.8.2 夹具的组成

定位机构和夹紧机构。

3.8.8.3 夹具的要求

(1)夹具应具有一定的刚度、强度、较高的耐磨性、足够的精度,能在定位时将设计基准与定位基准相重合。

(2)夹紧时,不能破坏零件在夹具上已经确定的正确位置。

(3)夹具应有足够的夹紧力,保证零件加工时不会产生松动和振动,但不能使零件产生不应有的变形和表面压痕。

(4)操作要安全、方便、省力、省时,减轻劳动强度。

(5)结构简单便于制造。

3.8.8.4 模具的要求

模具主要保证加工任务的顺序完成,同时保证加工精度和质量。

①模具设计主要根据机床的实际情况和零件的加工需求。如要在铣床上加工一个曲线零件,就应考虑铣刀头上挡环的半径及其安装的位置,而且要根据零件线型的特征加工出表面光洁的曲线轮廓。

②应具有一定的耐磨性,尺寸稳定性,制造精度应当高于加工零件所需要的精度。

③应能与相应的夹具进行配套使用。

④操作要安全、方便、省力、省时,减轻劳动强度。

⑤结构简单便于制造。

3.8.9 优化方案

净料加工涉及的工序比较多,而且重要,如打孔就是为零部件之间的装配,它能够影响家具的质量和安全性,同时净料加工又涉及形状和形面的加工,因此经常出现多工位,多次定位。如果定位基准不统一,就会出现定位误差。

机械加工就是优先考虑生产效率和加工精度两个方面,如铣边部形面、打孔、拉槽等多工位净料加工任务。采用多机械设备加工,增加了移动运输、定位、上下料、检验等时间,定位基准不统一还会增加加工误差,此时应尽可能采取CNC加工中心。

板式家具的旁板需要封边和拉槽等,采用普通直线封边机,需要封边后,再采用带送料器的圆锯机拉槽,而且可能会有左右区别。采用带拉槽功能的直线封边机可提高生产效率和加工质量。

复习思考题

1.以提高加工精度为目标,如何优化净料加工工艺?

2.举例说明如何依靠减少定位次数来实现提高加工精度的目的。

3.为什么要使用夹具和模具?

3.9 典型家具制造实例

重点内容: MFC零部件生产工艺,贴木皮零部件生产工艺和实木椅子生产工艺。

3.9.1 MFC家具生产工艺

MFC家具是指以三聚氰胺贴面板为基材的家具。MFC家具包括床、柜架类、椅凳类等。MFC家具的主要工艺流程如下:

MFC家具是板式家具的典型代表。高品质的MFC主要影响因素就是精度,其中包括尺寸精度、形状精度和配合精度。尺寸精度、形状精度和配合精度相互影响,相互作用。配合精度直接影响家具的强度和刚度,要想配合精度高,零部件的尺寸精度和形状精度也要高,同时配合精度本身也必须高才能真正实现家具的强度和刚度高的目的。影响尺寸和形状精度的工序包括开料、铣边、封边、组坯、热压、边部修整(封边前)等。形状精度主要影响因素为邻边垂直度,当然板件平整度也不能忽视,但是家具制造公司主要控制邻边的垂直度。MFC板件除非再胶合加工,否则其平整度取决于原材料本身性能。打孔工序是影响配合精度最关键工序,主要是榫与榫眼的配合精度、三合一连接件配合精度、板件本身握钉力等因素。

鉴于加工机械的变化,MFC生产工艺也会发生变化,如MFC板件的铣边和开槽工序,当采用普通单边或双端直线封边机时,均需要增加铣边和开槽机械及相应工序,但是如果采用带预铣和开槽的封边机,则将三个工序合而为一进行加工。

MFC板件胶合是近几年发展起来的新型家具形式,主要解决MFC家具板件比较单薄的外观与耗用大量基材的矛盾。如果采用夸张板件厚度,同时还不增加过多的成本和家具重量时,采用MFC胶合件工艺比较适合。

3.9.2 贴木皮家具工艺

贴木皮家具是深受消费者喜爱的家具之一。贴木皮家具具有实木家具的外特性,因此市场份额比较大,其主要结构是介于MFC家具和实木家具之间,即通过圆棒榫加胶水来定位和增加强度,又通过三合一连接,因此有零部件生产方式,也有整装生产方式。

整装生产方式是指零部件整装后再涂饰。该种生产方式打油磨工作量比较大,且只能手工或配合小型电动打磨工具,所以打磨效率比较低,但是涂装效果比较好。

零部件生产方式是指零部件就是产品的生产理念,换言之,以零部件为单位完成整个生产过程,包括涂饰工艺,最后可能整装或不整装打包入库。

贴木皮工艺如下:

其中零件1是指常见贴面零件工艺,即先封边后贴面。

3.9.3 实木家具工艺

家具的生产过程是一个比较复杂的过程,但主要是从单个零件生产和部件组装开始,而且每个零件的加工过程都有所区别,所涉及的设备也不尽相同,要求也不一样。

3.9.3.1 椅子主要组成结构与分析

(1)前腿,如图3.9-1零件8所示,数量为两只,车木零件,需加工榫眼。

图3.9-1 实木椅子

(2)后腿,如图3.9-1零件3所示,数量为两只,弯曲形零件,同时上面有4个榫眼,端部需要铣削成圆弧形,下端部需要倒角。

(3)座面,如图3.9-1零件5所示,数量为1个,实木拼板,边部要锯槽,铣边;嵌板结构。

(4)望板,如图3.9-1零件7和6所示:数量为4个,实木板(也可以是拼板),应开长圆形榫或打与圆榫配合的孔。

(5)拉档,如图3.9-1零件4所示:数量为1个,弯曲形零件,需开槽,端部开长圆形榫或打圆孔与圆榫配合。

(6)椅脑,如图3.9-1零件1所示:数量为1个,端部打两个圆孔与圆榫配合,边部呈圆弧形,并且有装饰线,下边开槽。

(7)竖板,如图3.9-1零件2所示:数量为1个,呈镂空状。

零件的一般加工过程:干燥→配料→毛料加工→胶合→弯曲→净料加工→部件装配→部件加工→总装配→装饰(涂饰)。企业可以根据自身实际条件和特点,确定每一个具体零部件的加工工艺和技术要点,如椅子后腿与背板、拉档之间的连接,有专用机床的企业可以采用长圆形榫相连接,这样强度较高。不具备条件还可以采用直角榫或圆榫连接。

原材料采购方式也决定着零部件部分加工工艺,本例中按着产品规格进行统一购进干燥合格的锯材,其规格应包含零件尺寸(或零件尺寸的倍数)和加工余量两项,锯材含水率与该家具使用地的木材年平均含水率相一致。本方案的特点是生产效率、生产效益和出材率都高。

3.9.3.2 零件制造

(1)前腿:选择干燥合格的锯材→长度上配成倍数毛料→利用平刨加工出基准面→利用四面刨加工其余面个面或利用压刨加工基准面的相对面、相对边→利用精密推台锯精截前腿→在意大利产TSG2T机床上加工长圆形榫眼(如果采用圆榫连接则打圆孔)→在靠模车床上加工其外形(也可以采用普通车床加工只是批量生产其外形不稳定,如果有条件可以采用背刀式车床,加工效果比较好)→在内侧铣掉一个棱角,便于安装塞角→表面砂光(有专用机床砂光,也可以采用圆柱形砂光机与手工砂光相结合)。

(2)后腿:选择已经干燥的锯材→按厚度配料→用平刨或修边锯加工出标准面和拼缝面,相邻板配合应紧密无缝→用胶为拼板胶或脲醛树脂改性胶涂胶→陈化5~10min,充分浸润木材表面→采用冷压方法拼宽,可以摩天轮或丝杆螺母机构拼宽→陈放3~4天→采用模板(后腿外轮廓)在拼板上划线→用细木工带锯机锯出后腿的毛坯→将后腿侧平面在平刨上加工成基准面→用压刨加工其相对面(定厚加工)→以侧面作为基准面,将后腿安装在模具和夹具上,在下轴铣床上加工后腿的两个弧线型面及圆滑顶头(如有可能应在双头下轴铣床上加工),同样可以在意大利产FC-4型机床上铣型面→可以在专用机床上加工长圆形榫眼(意大利产MX-90型机床,该机床可以加工后腿的弧线型面和侧面上长圆形榫眼),利用模板在钻床上加工后腿的侧面圆榫孔,但其弧线型面上仍然可以采用意大利产TSG2T机床上加工长圆形榫眼→砂光及倒角。意大利机床是铣形与砂光为一体。

(3)望板:选择已经干燥的锯材→在长度上配成倍数毛料→在平刨上加工基准面和基准边→利用压刨加工其相对面或相对边→在精密推台锯上截断,得到精确的长度尺寸→在意大利产MOD型机床上开长圆形榫头→砂光。

(4)座面:选择已经干燥的锯材→按座面的尺寸配成毛料→在平刨上加工板侧边,两个板之间配合紧密无缝→冷压,采用脲醛胶胶合(如果有条件可以采用机拼成大板后,再套裁)→刨削表面,可以先平刨后压刨加工其两个面,也可以直接采用双面刨(平压刨)加工出两个大平面→细木工带锯机锯出座面外形→利用模具在下轴铣床上铣其侧边→砂光。

如果采用嵌板结构,则先加工边框,然后再组装成座面部件。边框采用四面刨一次成型,包括嵌槽,然后再用双端锯定长,锯成双端45°边框零件,再组装即可。

(5)拉档:选择已经干燥的锯材→用细木工带锯机配成倍数毛料→在平刨加工基准面→压刨加工相对面→利用模具在下轴铣床加工两个弧面或采用压刨加工同时利用模具加工,也可以采用意大利产FC-4型机床加工→按零件尺寸截断→采用意大利产MOD型机床加工长圆形榫头,或在钻床上打圆孔→砂光及倒棱。对于弯曲形零件采用薄木胶合弯曲的方法也是行之有效的。

(6)椅脑:选择已经干燥的锯材→配成倍数毛料→利用细木工带锯机锯出其双弧面→采用意大利产FC-4型机床铣削两个弧面或采用压刨与模具共同加工两弧面→在下铣床上将靠背的上边部铣成圆弧状→在精密推台锯截断→在意大利产MOD型机床上加工长圆形榫头(或打圆孔与圆榫配合)→利用砂光机砂出形状来→采用手提镂铣机铣出线型。对于弯曲形零件采用薄木胶合弯曲的方法也是行之有效的。

(7)竖板:选择已经干燥的锯材→将锯材配成与竖板外轮廓相似的毛料→在平刨加工基准面→压刨加工相对面→手提曲线锯按图样加工如图所示的图样→用手提镂铣机进行修整→在下轴铣床上铣削其边部→砂光。

另外一方案为采用手提钻与线锯配合加工镂空图案。

3.9.3.3 部件修正及总装配

将已加工的零件,装配成产品,同时根据椅子应平稳、牢固的原则进行适当地修整。如果有榫结合,则应以榫肩为装配基准进行安装,配合要密实。座面与望板之间采用螺丝钉连接。在座面背面、望板与椅子腿之间采用三角形楔形块连接,可以采用木螺丝钉连接。

装配之后就是整体砂光,然后涂饰。对于拆装家具可以先油漆零件之后,再装配。

复习思考题

1.MFC家具零部件间的工艺差异性是什么?

2.贴木皮零部件生产所需要设备是什么?

3.结合所学知识内容,说明实木椅子后腿加工其它工艺路线是什么?

3.10 装配

家具装配是一道很重要的工序。装配质量直接影响家具的质量,主要体现在零件之间的配合精度,缝隙的严密程度等。

典型装配形式如下:

3.10.1 固装

固装是家具装配的一种比较传统的方式。固装就是把家具零件与零件之间,零件与部件之间以及部件之间通过榫卯带胶连接。从工厂到家具产品使用目的的运输过程中,采用整体运输形式。

3.10.2 拆装

拆装家具是指家具零部件的连接可以多次重复固定与拆开。拆装家具是板式家具的主要形式。零部件之间的连接主要采用三合一连接件或螺丝等。

3.10.3 待装

待装家具是指家具在使用地才组装成为能够使用家具,但不能重复再拆开成零部件。待装家具又称RTA家具。

装配原则:

- 先装配部件,后装配整体。

- 先装结构件,后装装饰件和活动部件。

- 部件装配时需要均匀加压力,否则容易损坏零件,且配合强度低。-采用带胶水榫卯结构或圆榫结合,涂胶后应立即装配。长时间再装配会破坏装配强度。

- 无论零部件装配,还是整体装配都优先选择机械加压力。

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