榫頭加工機床的設(shè)計

摘? 要：針對榫頭加工效率低下的問題，綜合考慮榫頭種類和加工工藝，設(shè)計了一種古典高檔家具榫頭加工機床。

經(jīng)過分析，該機床床身具有高剛度和可靠性，機床加工范圍大，能完成多種復(fù)雜榫頭的加工，降低了生產(chǎn)成本，性價比高，為木工制榫領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣提供了很好的技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：榫頭;六角刀架;開榫機

近幾百年的中國，有兩件東西被海外華人視為國粹：一是京劇藝術(shù)，二就是紅木家具。中國傳統(tǒng)家具自明末進入技藝之巔峰，其中紅木家具的靈魂就是榫卯結(jié)構(gòu)，整套家具甚至整幢房子不使用一根鐵釘，卻能使用幾百年甚至上千年，在人類輕工制造史上堪稱奇跡。但由于榫頭種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在多采用傳統(tǒng)的手工制榫技術(shù)，即使是開榫機在加工復(fù)雜榫頭時也不能一次成型，效率很低。所以設(shè)計出一種榫頭加工專用的機床，可以大大提高制榫效率，對我國傳統(tǒng)高檔家具行業(yè)有重要意義[1-2]。

1 機床的整體布局

綜合考慮各種榫頭的加工工藝[3]，機床整體結(jié)構(gòu)采用如圖1所示結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點是：（1）床身機架具有高的剛度，能保證機床高可靠性、高精度的運行;（2）擴大機床加工范圍，完成多種復(fù)雜榫頭的加工切削任務(wù);（3）降低機床生產(chǎn)成本，打造性價比高的榫頭加工機床，使其在木工制榫領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用與推廣。該結(jié)構(gòu)能夠使工件在工作臺沿X、Y方向移動以及刀具沿Z軸方向移動，從而完成榫頭的加工。機床主要由主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、工作臺、床身等五部分組成。

1.1 主軸系統(tǒng)

機床的主軸系統(tǒng)在銑削木材時發(fā)揮著重要的作用，為簡化機床主軸傳動的結(jié)構(gòu)以及保證刀具的不同轉(zhuǎn)速，機床主電機采用電主軸，制榫專用刀具直接裝卡在電主軸上，針對不同的木質(zhì)材料，電主軸可以提供不同的轉(zhuǎn)速，使刀具對工件進行銑削。

1.2 進給系統(tǒng)

機床進給系統(tǒng)分為X、Y、Z三個方向上的進給，進給量的多少決定了工件的加工精度。綜合考慮現(xiàn)代機床傳動的特點，為保證榫頭的制造精度，本機床采用滾珠絲杠傳動。絲杠直接與驅(qū)動電機相連，絲杠螺母連接工作臺，使絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為工作臺沿X、Y方向的直線運動。

1.3 換刀系統(tǒng)

為了使機床換刀方便，機床采用刀庫刀架一體的結(jié)構(gòu)，即設(shè)計一個六角刀架，在上面平均分布六把刀。六角刀架由電機帶動，沿軸向每旋轉(zhuǎn)60°，則完成一次換刀。這六把刀中三把垂直于刀架安裝，三把平行于刀架安裝（如圖2），這樣就可以完成立式加工和臥式加工的配合工作，從而完成各種榫頭的加工。

1.4 工作臺

工作臺的作用是裝卡工件，設(shè)計時應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)，使之滿足使用、工藝及性能等方面的要求，如具有足夠的剛度，良好的抗振性和較小的熱變形等。

1.5床身

機床床身是機床的主體部分，其功能是支承作用，在機床進行切削加工時，承受各種載荷，承受機床各個部件的重量。本機床的床身整體結(jié)構(gòu)采用工字鋼進行堆焊，工字鋼側(cè)向剛度大，抗彎能力強，該結(jié)構(gòu)能夠滿足機床整體力學(xué)要求。

2 機床主軸的受力計算

木材切削力是木材加工過程中刀具與木材之間的相互作用力，反映了刀具與機床所承受的負荷間的關(guān)系。根據(jù)德累斯頓木材技術(shù)研究所的切削常數(shù)曲線并查閱《木材切削手冊》，以切削一方木材為例，假設(shè)切削寬度，平均切屑厚度，切削深度，采用主切削力計算公式如下[4]：

（1）

式中 —主切削力（）;

—切削力常數(shù);

—切削寬度;

—平均切屑厚度。

將切削寬度，平均切屑厚度，常數(shù)，帶入求得切向切削力。

求嚙合角

（2）

式中 —切削深度;

—嚙合角;

—切削寬度

將切削深度，切削寬度，帶入求得，于是嚙合角，因為刀具有兩個刃，所以在一轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)過角，則嚙合齒數(shù)為

（3）

式中 —刃數(shù);

將刃數(shù)，嚙合角，帶入求得嚙合齒數(shù)。

主切削力與嚙合齒數(shù)相乘，得圓周力

（4）

圓周力與刀具半徑相乘，得力矩

（5）

得功率

（6）

計算得主軸電機的功率為。根據(jù)主軸電機的所需功率，可以選出符合要求的電主軸。

3 開榫機發(fā)展趨勢

隨著木工機械及數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，開榫機在未來的發(fā)展中將朝著以下趨勢發(fā)展。

（1）智能化：數(shù)控技術(shù)會越來多的應(yīng)用到開榫機上，在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理系統(tǒng)、動態(tài)前饋和預(yù)測計算功能、自適應(yīng)模糊控制功能等，使榫頭能夠通過系統(tǒng)編程直接加工出來，并且保證其高精度。

（2）高速化：此趨勢主要體現(xiàn)在提高進給速度與提高主軸轉(zhuǎn)速上。現(xiàn)在的電主軸最高轉(zhuǎn)速可達200000r/min，進給率最大可達到140m/min。對于一些復(fù)雜的榫頭，可以在很短的時間內(nèi)加工完成，能大大提高制榫效率。

（3）數(shù)字化：在開榫機上應(yīng)用多媒體技術(shù)使控制系統(tǒng)具有處理聲音、文字、圖像和視頻信息的綜合能力，使其能實現(xiàn)系統(tǒng)實時監(jiān)控、生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷和生產(chǎn)過程的參數(shù)監(jiān)測等，從而使榫頭的加工更高效[5]。

4 結(jié)論

該機床的設(shè)計能改變傳統(tǒng)榫頭的加工方式，在一次裝夾的情況下對榫頭進行加工，實現(xiàn)了工序集中，縮短了加工時間和輔助加工時間，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的加工精度，對于進一步提高我國整個木工機械行業(yè)技術(shù)水平具有重要的意義。隨著科技的不斷進步，榫頭加工設(shè)備將會更加完善。

參考文獻

[1] 韓金剛， 謝堂， 沈瑞雪，等. 基于加工特征的模塊化木工榫頭數(shù)控加工方法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2020.

[2] 張春梅， 李宇峰， 于長寶，等. 周向環(huán)狀燕尾型榫頭的鎖緊結(jié)構(gòu)研究[J]. 汽輪機技術(shù)， 2016（4）：251-252.

[3]陳心罩，權(quán)義魯.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊（上），機械工業(yè)出版社，2006，80-92.

[4] 王還.木材切削原理與刀具（三）[J]，木工機床，1994，37-39.

[5] 汪子卜，朱興微，何盛，衛(wèi)佩行. 數(shù)控木工機床發(fā)展綜述[J]， 林業(yè)機械與木工設(shè)備，2012，11：8-13.

作者簡介：

董湘敏，女，吉林省大安市人，1977年11月出生。講師，博士，主要從事數(shù)字化設(shè)計和智能制造等方向的研究及教學(xué)工作。

依托項目：河北省高校科學(xué)技術(shù)重點項目，項目編號：ZD2017203，項目名稱：高速精密數(shù)控機床靜壓轉(zhuǎn)臺的動靜態(tài)特性及測試方法研究