论文部分内容阅读
摘 要：针对榫头加工效率低下的问题，综合考虑榫头种类和加工工艺，设计了一种古典高档家具榫头加工机床。
经过分析，该机床床身具有高刚度和可靠性，机床加工范围大，能完成多种复杂榫头的加工，降低了生产成本，性价比高，为木工制榫领域的应用和推广提供了很好的技术借鉴。
关键词：榫头;六角刀架;开榫机
近几百年的中国，有两件东西被海外华人视为国粹：一是京剧艺术，二就是红木家具。中国传统家具自明末进入技艺之巅峰，其中红木家具的灵魂就是榫卯结构，整套家具甚至整幢房子不使用一根铁钉，却能使用几百年甚至上千年，在人类轻工制造史上堪称奇迹。但由于榫头种类繁多、结构复杂，现在多采用传统的手工制榫技术，即使是开榫机在加工复杂榫头时也不能一次成型，效率很低。所以设计出一种榫头加工专用的机床，可以大大提高制榫效率，对我国传统高档家具行业有重要意义[1-2]。
1 机床的整体布局
综合考虑各种榫头的加工工艺[3]，机床整体结构采用如图1所示结构。该结构优点是：（1）床身机架具有高的刚度，能保证机床高可靠性、高精度的运行;（2）扩大机床加工范围，完成多种复杂榫头的加工切削任务;（3）降低机床生产成本，打造性价比高的榫头加工机床，使其在木工制榫领域得到更好的应用与推广。该结构能够使工件在工作台沿X、Y方向移动以及刀具沿Z轴方向移动，从而完成榫头的加工。机床主要由主轴系统、进给系统、换刀系统、工作台、床身等五部分组成。
1.1 主轴系统
机床的主轴系统在铣削木材时发挥着重要的作用，为简化机床主轴传动的结构以及保证刀具的不同转速，机床主电机采用电主轴，制榫专用刀具直接装卡在电主轴上，针对不同的木质材料，电主轴可以提供不同的转速，使刀具对工件进行铣削。
1.2 进给系统
机床进给系统分为X、Y、Z三个方向上的进给，进给量的多少决定了工件的加工精度。综合考虑现代机床传动的特点，为保证榫头的制造精度，本机床采用滚珠丝杠传动。丝杠直接与驱动电机相连，丝杠螺母连接工作台，使丝杠的旋转运动转化为工作台沿X、Y方向的直线运动。
1.3 换刀系统
为了使机床换刀方便，机床采用刀库刀架一体的结构，即设计一个六角刀架，在上面平均分布六把刀。六角刀架由电机带动，沿轴向每旋转60°，则完成一次换刀。这六把刀中三把垂直于刀架安装，三把平行于刀架安装（如图2），这样就可以完成立式加工和卧式加工的配合工作，从而完成各种榫头的加工。
1.4 工作台
工作台的作用是装卡工件，设计时应采用合理的结构，使之满足使用、工艺及性能等方面的要求，如具有足够的刚度，良好的抗振性和较小的热变形等。
1.5床身
機床床身是机床的主体部分，其功能是支承作用，在机床进行切削加工时，承受各种载荷，承受机床各个部件的重量。本机床的床身整体结构采用工字钢进行堆焊，工字钢侧向刚度大，抗弯能力强，该结构能够满足机床整体力学要求。
2 机床主轴的受力计算
木材切削力是木材加工过程中刀具与木材之间的相互作用力，反映了刀具与机床所承受的负荷间的关系。根据德累斯顿木材技术研究所的切削常数曲线并查阅《木材切削手册》，以切削一方木材为例，假设切削宽度，平均切屑厚度，切削深度，采用主切削力计算公式如下[4]：
（1）
式中 —主切削力（）;
—切削力常数;
—切削宽度;
—平均切屑厚度。
将切削宽度，平均切屑厚度，常数，带入求得切向切削力。
求啮合角
（2）
式中 —切削深度;
—啮合角;
—切削宽度
将切削深度，切削宽度，带入求得，于是啮合角，因为刀具有两个刃，所以在一转中转过角，则啮合齿数为
（3）
式中 —刃数;
将刃数，啮合角，带入求得啮合齿数。
主切削力与啮合齿数相乘，得圆周力
（4）
圆周力与刀具半径相乘，得力矩
（5）
得功率
（6）
计算得主轴电机的功率为。根据主轴电机的所需功率，可以选出符合要求的电主轴。
3 开榫机发展趋势
随着木工机械及数控技术的快速发展，开榫机在未来的发展中将朝着以下趋势发展。
（1）智能化：数控技术会越来多的应用到开榫机上，在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断系统、参数自动设定和刀具自动管理系统、动态前馈和预测计算功能、自适应模糊控制功能等，使榫头能够通过系统编程直接加工出来，并且保证其高精度。
（2）高速化：此趋势主要体现在提高进给速度与提高主轴转速上。现在的电主轴最高转速可达200000r/min，进给率最大可达到140m/min。对于一些复杂的榫头，可以在很短的时间内加工完成，能大大提高制榫效率。
（3）数字化：在开榫机上应用多媒体技术使控制系统具有处理声音、文字、图像和视频信息的综合能力，使其能实现系统实时监控、生产现场设备的故障诊断和生产过程的参数监测等，从而使榫头的加工更高效[5]。
4 结论
该机床的设计能改变传统榫头的加工方式，在一次装夹的情况下对榫头进行加工，实现了工序集中，缩短了加工时间和辅助加工时间，提高了生产效率和产品的加工精度，对于进一步提高我国整个木工机械行业技术水平具有重要的意义。随着科技的不断进步，榫头加工设备将会更加完善。
参考文献
[1] 韩金刚， 谢堂， 沈瑞雪，等. 基于加工特征的模块化木工榫头数控加工方法研究[J]. 现代制造工程， 2020.
[2] 张春梅， 李宇峰， 于长宝，等. 周向环状燕尾型榫头的锁紧结构研究[J]. 汽轮机技术， 2016（4）：251-252.
[3]陈心罩，权义鲁.现代实用机床设计手册（上），机械工业出版社，2006，80-92.
[4] 王还.木材切削原理与刀具（三）[J]，木工机床，1994，37-39.
[5] 汪子卜，朱兴微，何盛，卫佩行. 数控木工机床发展综述[J]， 林业机械与木工设备，2012，11：8-13.
作者简介：
董湘敏，女，吉林省大安市人，1977年11月出生。讲师，博士，主要从事数字化设计和智能制造等方向的研究及教学工作。
依托项目：河北省高校科学技术重点项目，项目编号：ZD2017203，项目名称：高速精密数控机床静压转台的动静态特性及测试方法研究
经过分析，该机床床身具有高刚度和可靠性，机床加工范围大，能完成多种复杂榫头的加工，降低了生产成本，性价比高，为木工制榫领域的应用和推广提供了很好的技术借鉴。
关键词：榫头;六角刀架;开榫机
近几百年的中国，有两件东西被海外华人视为国粹：一是京剧艺术，二就是红木家具。中国传统家具自明末进入技艺之巅峰，其中红木家具的灵魂就是榫卯结构，整套家具甚至整幢房子不使用一根铁钉，却能使用几百年甚至上千年，在人类轻工制造史上堪称奇迹。但由于榫头种类繁多、结构复杂，现在多采用传统的手工制榫技术，即使是开榫机在加工复杂榫头时也不能一次成型，效率很低。所以设计出一种榫头加工专用的机床，可以大大提高制榫效率，对我国传统高档家具行业有重要意义[1-2]。
1 机床的整体布局
综合考虑各种榫头的加工工艺[3]，机床整体结构采用如图1所示结构。该结构优点是：（1）床身机架具有高的刚度，能保证机床高可靠性、高精度的运行;（2）扩大机床加工范围，完成多种复杂榫头的加工切削任务;（3）降低机床生产成本，打造性价比高的榫头加工机床，使其在木工制榫领域得到更好的应用与推广。该结构能够使工件在工作台沿X、Y方向移动以及刀具沿Z轴方向移动，从而完成榫头的加工。机床主要由主轴系统、进给系统、换刀系统、工作台、床身等五部分组成。
1.1 主轴系统
机床的主轴系统在铣削木材时发挥着重要的作用，为简化机床主轴传动的结构以及保证刀具的不同转速，机床主电机采用电主轴，制榫专用刀具直接装卡在电主轴上，针对不同的木质材料，电主轴可以提供不同的转速，使刀具对工件进行铣削。
1.2 进给系统
机床进给系统分为X、Y、Z三个方向上的进给，进给量的多少决定了工件的加工精度。综合考虑现代机床传动的特点，为保证榫头的制造精度，本机床采用滚珠丝杠传动。丝杠直接与驱动电机相连，丝杠螺母连接工作台，使丝杠的旋转运动转化为工作台沿X、Y方向的直线运动。
1.3 换刀系统
为了使机床换刀方便，机床采用刀库刀架一体的结构，即设计一个六角刀架，在上面平均分布六把刀。六角刀架由电机带动，沿轴向每旋转60°，则完成一次换刀。这六把刀中三把垂直于刀架安装，三把平行于刀架安装（如图2），这样就可以完成立式加工和卧式加工的配合工作，从而完成各种榫头的加工。
1.4 工作台
工作台的作用是装卡工件，设计时应采用合理的结构，使之满足使用、工艺及性能等方面的要求，如具有足够的刚度，良好的抗振性和较小的热变形等。
1.5床身
機床床身是机床的主体部分，其功能是支承作用，在机床进行切削加工时，承受各种载荷，承受机床各个部件的重量。本机床的床身整体结构采用工字钢进行堆焊，工字钢侧向刚度大，抗弯能力强，该结构能够满足机床整体力学要求。
2 机床主轴的受力计算
木材切削力是木材加工过程中刀具与木材之间的相互作用力，反映了刀具与机床所承受的负荷间的关系。根据德累斯顿木材技术研究所的切削常数曲线并查阅《木材切削手册》，以切削一方木材为例，假设切削宽度，平均切屑厚度，切削深度，采用主切削力计算公式如下[4]：
（1）
式中 —主切削力（）;
—切削力常数;
—切削宽度;
—平均切屑厚度。
将切削宽度，平均切屑厚度，常数，带入求得切向切削力。
求啮合角
（2）
式中 —切削深度;
—啮合角;
—切削宽度
将切削深度，切削宽度，带入求得，于是啮合角，因为刀具有两个刃，所以在一转中转过角，则啮合齿数为
（3）
式中 —刃数;
将刃数，啮合角，带入求得啮合齿数。
主切削力与啮合齿数相乘，得圆周力
（4）
圆周力与刀具半径相乘，得力矩
（5）
得功率
（6）
计算得主轴电机的功率为。根据主轴电机的所需功率，可以选出符合要求的电主轴。
3 开榫机发展趋势
随着木工机械及数控技术的快速发展，开榫机在未来的发展中将朝着以下趋势发展。
（1）智能化：数控技术会越来多的应用到开榫机上，在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断系统、参数自动设定和刀具自动管理系统、动态前馈和预测计算功能、自适应模糊控制功能等，使榫头能够通过系统编程直接加工出来，并且保证其高精度。
（2）高速化：此趋势主要体现在提高进给速度与提高主轴转速上。现在的电主轴最高转速可达200000r/min，进给率最大可达到140m/min。对于一些复杂的榫头，可以在很短的时间内加工完成，能大大提高制榫效率。
（3）数字化：在开榫机上应用多媒体技术使控制系统具有处理声音、文字、图像和视频信息的综合能力，使其能实现系统实时监控、生产现场设备的故障诊断和生产过程的参数监测等，从而使榫头的加工更高效[5]。
4 结论
该机床的设计能改变传统榫头的加工方式，在一次装夹的情况下对榫头进行加工，实现了工序集中，缩短了加工时间和辅助加工时间，提高了生产效率和产品的加工精度，对于进一步提高我国整个木工机械行业技术水平具有重要的意义。随着科技的不断进步，榫头加工设备将会更加完善。
参考文献
[1] 韩金刚， 谢堂， 沈瑞雪，等. 基于加工特征的模块化木工榫头数控加工方法研究[J]. 现代制造工程， 2020.
[2] 张春梅， 李宇峰， 于长宝，等. 周向环状燕尾型榫头的锁紧结构研究[J]. 汽轮机技术， 2016（4）：251-252.
[3]陈心罩，权义鲁.现代实用机床设计手册（上），机械工业出版社，2006，80-92.
[4] 王还.木材切削原理与刀具（三）[J]，木工机床，1994，37-39.
[5] 汪子卜，朱兴微，何盛，卫佩行. 数控木工机床发展综述[J]， 林业机械与木工设备，2012，11：8-13.
作者简介：
董湘敏，女，吉林省大安市人，1977年11月出生。讲师，博士，主要从事数字化设计和智能制造等方向的研究及教学工作。
依托项目：河北省高校科学技术重点项目，项目编号：ZD2017203，项目名称：高速精密数控机床静压转台的动静态特性及测试方法研究