實木柜類家具變尺定制中排孔規則探究

王寧，王強，郝景新，李軍，孫德林

（1.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，長沙 410004；2.南京林業大學 家居與工業設計學院，南京 210037）

早期由于多排鉆和機械制造規范的要求，家具制造企業形成了統一的“32 mm 系統”鉆孔體系。“32 mm系統”及其相關的五金件在裝配上能實現快裝、待裝，在結構上能自由組合，在功能上能適度調節和擴展[1]，還可以降低運輸成本，使家具在運輸方面更方便、快捷[2]，因此被用于各種板式家具和部分實木家具的產生中。但隨著制造技術的進步，家具生產中鉆孔不再局限于多排鉆，可以自由地使用數控加工中心進行鉆孔加工，這使生產鉆孔具有靈活性和自由性。同時經中國定制家居產業自主創新，轉型升級[3]，研發出定制板式家具生產制造體系，開拓了巨大的定制家具市場。隨著人們生活水平的提高，對家居的追求也越來越趨于個性化和定制化[4]。隨著定制板式家具的發展和應用，定制家居市場也從“板式”向“實木”延伸[5]；“個性化定制”與“柔性化生產”提供了一種全新的信息化制造模式[6-7]，所以定制板式家具“設計-拆單-排產”這一系統的制造體系也在逐步地過渡到定制實木家具生產上，尤其是定制實木柜類家具的生產。另外，由于房屋戶型尺寸的多樣性，導致在實木柜類家具定制生產中，變尺寸定制生產是最基本的定制需求，同時，現代實木柜類家具對三合一、圓棒榫、四合一、鉸鏈等利于工業化生產的五金連接件的使用越來越廣泛，致使實木柜類家具定制生產中的排孔需求和問題越來越突出。現階段實木柜類家具變尺定制生產沒有科學、規范、統一的排孔規則[8-10]，因此分析總結出具備合理性、通用性、準確性的排孔規則對其設計生產有著重要影響[11]。文中對實木柜類家具變尺定制生產中排孔需求及排孔規則進行了分析和探究。

1 實木與板式柜類家具排孔區別

1.1 五金及排孔類別

實木柜類家具采用的三合一、圓棒榫、四合一等五金件，與傳統的板式家具所用五金略有不同。由于實木柜類家具結構強度要求，通常會使用加強型的五金件，如帶螺紋的金屬預埋螺母，預埋螺母加長直徑加大、加強型連接桿，月牙螺母等。這就使其與板式家具排孔信息有所不同。

1.2 零件及結構排孔區別

板式柜類家具生產大都采用板件排孔，可以全部使用多面鉆數控排孔加工，實木柜類家具生產中，整板板件可以使用多面鉆數控排孔加工，但框嵌板結構與異形件等無法達到數控加工要求的零部件，則需使用多排鉆人工排孔加工。

1.2.1 框嵌板結構排孔

采用三合一、圓棒榫等五金連接件生產的實木柜類家具與板式家具最大的區別之一是其特有的框嵌板結構，包括柜門、側板、頂板、層板、底板、背板等都可以存在框嵌板結構，框嵌板框條與芯板加工過程中需要銑型、拉槽、斜切、夾框、齊邊、打磨、涂裝油漆等不同于板式家具，需額外反復的加工工藝。其中不僅需要在夾框工藝之前，排夾框結構孔，還需要在齊邊工藝之后，排預埋螺母孔、偏心輪孔、連接桿孔、圓棒榫孔等。而板式柜類家具都是整板結構，僅需要鋸切-封邊-排孔即可完成加工。

1.2.2 異形件排孔

實木柜類家具比板式家具更能通過豐富的造型、形態體現出其材質美和結構美。這就使實木柜類家具在加工生產中存在一些異形件加工，這些異形件需要鋸形，立銑、吊鏤、雕刻、車削、打磨、涂裝油漆等相對復雜的加工工藝，在完成這些異形件造型形態的加工后，再進行多排鉆人工排孔，與常規板件接合，形成連接結構。而板式柜類家具，板件多面鉆數控排孔后即完成加工，不同板件即可形成連接結構。

2 變尺定制生產中的排孔需求

2.1 零件在長寬高上的變尺需求

定制產品在長寬高變尺寸生產過程中，所有零件都需要在其長寬高3 個方向上分配各自合理的變尺比例生產，所以零件的孔位需要隨著零件尺寸的改變而發生改變（保證結構強度），見圖1。

圖1 頂板與抽面板的變尺分配比例Fig.1 Variable scale distribution ratio of top board and draw board

2.2 確定產品變尺范圍需求

變尺定制并不意味著產品尺寸可以無限制地變化定制，只有確定了類型產品變尺范圍（如電視柜類產品長寬高變尺范圍是多少），才能有效地保證設計排孔資料的合理性、通用性、準確性。

2.3 確定結構排孔信息需求

確定了類型產品單一結構排孔類別和個數（如頂板與側板采用什么連接結構及其孔位個數），才能在零件變尺定制生產中，確定零件排孔信息，并保證其合理性、通用性、準確性，再根據變尺尺寸的不同，設定其中一個可以變化的孔間距來滿足零件尺寸變化的需求。

2.4 自動化加工與人工加工排孔契合需求

實木柜類家具生產過程中會有許多異形件和小料件鉆孔。小料件鉆孔使用數控加工，會因為零件過小無法吸附固定零件，導致跳刀、崩料等加工問題，所以小料件鉆孔要使用人工加工。異形件鉆孔因為不符合設備加工要求必須使用人工加工，而人工多排鉆加工，排孔需要滿足孔間距為32 mm 的倍數。此外，為了保證生產效率，板件鉆孔需要使用數控加工，那么在板件與異形件和小料件有接合結構時，就產生了板件數控鉆孔與人工鉆孔孔位契合的需求。這就需要孔間距為32 mm 的倍數，保證人工鉆孔效率，同時還要保證數控與人工鉆孔相契合的排孔規則要求。

3 排孔規則

3.1 距離邊部排孔規則

由于三合一、四合一、圓棒榫等家具連接結構的特點，導致實木柜類家具在變尺生產過程中，一些邊部位置必須有結構連接才能保證結構強度，這就需要在這些位置始終存在結構孔，所以距離邊部排孔是必要的排孔規則之一。根據不同家具廠生產所用板材的厚度及結構特點，可以確定若干個距離邊部排孔的距離，見圖2。記板件的長為l，寬為w，厚為h(藍標尺寸為可變尺寸)，則有距離邊部排孔距離X、Y，定制零件可變尺距離N（N距離間孔位個數可以根據結構類型確定），其中X=0.5h，Y由產品結構類型決定為固定值，N=(w–2Y)/2。

圖2 距離邊部排孔規則Fig.2 Drilling rules for distance edge

3.2 分中規則

分中規則指的是從零件加工面的中心出發，分別向兩端排孔。分中規則需要確定孔位的類別、個數和間距，這就意味著分中規則永遠是以零件中心位置為中心進行排孔，保證了內部連接結構的強度。但分中規則存在局限性，在定制變尺寸生產過程中，孔位技術資料若不進行人工修改，分中規則孔位會出現：零件加長生產，邊部長距離沒有孔位，零件變短生產，邊部原有孔位缺失等嚴重影響產品結構的問題。所以為了保證排孔規則的合理性、通用性、準確性，分中規則通常適用于零件變尺范圍較小或不變尺方向，孔間距要保證為32 mm 的倍數,常用于異形件和小料件的排孔，見圖3。記板件的長為l，寬為w，厚為h(藍標尺寸為可變尺寸)，則有偶數孔分中w=2Y+3* n*32，奇數孔分中w=2Y+2*n*32，其中Y為板件寬度可變尺寸，所有孔間距均32 mm 的倍數。

圖3 分中規則Fig.3 Rules for drilling from the middle

3.3 偶數孔規則

在變尺寸生產孔位技術資料不修改的前提下，奇數孔個數會因為零件尺寸的改變而導致孔位分布不均，孔間距改變的問題，不符合排孔的合理性、準確性、通用性要求。采用偶數個孔和距離邊部排孔規則，在變尺寸生產過程中，孔位均勻分布兩邊，距邊部距離和孔個數固定，孔間距為32 mm 的倍數（人工加工與自動化加工契合），只有居中兩孔的間距變化。人工打孔也無需調機，采用工件掉頭打孔就可保證生產效率，見圖4。記板件的長為l寬為w，厚為h(藍標尺寸為可變尺寸)，則有w=2Y+2*n*32+N，孔個數為偶數，其中N為板件寬度可變尺寸，圖左為板件原尺寸，圖右為寬度增加a之后的零件變尺尺寸。

圖4 距離邊部偶數孔規則Fig.4 Even hole rule for distance edge

3.4 反向確定孔規則

家具生產中，連接結構在一定程度上確定了相接合零件的孔位信息，這就保證了零件的孔位具有一定的匹配性，可以根據一個零件的孔位信息反向確定與之接合零件的孔位信息，常用于與異形件和小料件相接合的零件，見圖5。三合一與圓棒榫孔位匹配信息，其中記板件的長為l，寬為w，厚為h(藍標尺寸為可變尺寸)，則有w=N+2Y，Y為距離邊部固定值，N為板件寬度可變尺寸。

圖5 孔位匹配信息Fig.5 Hole matching information

3.5 排孔需求與排孔規則的主要關系

表1 排孔需求與排孔規則的主要關系總結Tab.1 The relationship between drilling requirements and drilling rules

4 設計實踐論證

柜類家具基本部件主要包括：頂板、底板、層板、側板、背板、柜門、抽屜等。根據這些部件及以上排孔需求和排孔規則，下面以一個內部具有柜門、層板、抽屜3 種相對全面常見結構的實木電視柜（1 500 mm*500 mm*420 mm）進行設計實踐論證（頂底板和柜門為框嵌板結構，柜門框條屬于異形件需要型邊、銑嵌板槽、銑拉手槽、斜切等加工工藝）。具體以頂板、左側板、柜門板、層板、抽拉檔、中側板這6 個具有代表性的板件加以詳細說明，體現出排孔規則在變尺寸定制生產過程中一直適用，見圖6。

圖6 電視柜應用舉例Fig.6 Application example of TV cabinet

頂板的俯視排孔圖，藍色標注為可變尺寸，底板板件排孔與頂板類似，見圖7。

圖7 頂板排孔Fig.7 Top plate row holes

1）產品長度尺寸變尺。頂板側框和中挺均采用分中規則排孔，再根據反向確定孔規則，確定前后框上的孔位。在產品長度變尺定制過程中，側框和中挺的孔位信息一直無變化，具有唯一確定性，再根據側框位于邊部，中挺位于三等分處的特點，反向確定前后框上的孔位，保證產品在長度方向上改變時，板件孔位信息的合理性、通用性、準確性。

2）產品寬度尺寸變尺。頂板與側板連接孔位采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，Y1和Y2表示距離邊部尺寸，N表示可變尺寸，Y2尺寸100 mm 既滿足了柜門板厚度尺寸18 mm 預留，還避免了與側框圓棒榫孔位的干擾，Y1 尺寸20 mm 滿足了背板尺寸5 mm 的預留。產品在寬度變尺寸定制過程中，僅有N尺寸188 mm 的改變滿足整個板件寬度的改變，保證孔位信息的合理性、通用性、準確性。

左側板與頂底板、柜門板，右視圖排孔關系，藍色標注為可變尺寸，見圖8。右側板排孔與之類似。

圖8 左側板排孔Fig.8 Left side row holes

1）產品寬度尺寸變尺。左側板與頂底板連接孔位采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，孔位信息變化同頂板在產品寬度尺寸變尺，并與之有反向確定孔規則關系。

2）產品高度尺寸變尺。鉸鏈定位孔采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，距邊部距離為54 mm 保證了鉸鏈位置的合理性；可變尺寸為178 mm，滿足板件在產品高度尺寸上的變尺，從而保證產品在高度尺寸上變尺時，左側板孔位信息的合理性、通用性、準確性。

柜門板右視圖排孔，藍色標注為可變尺寸，見圖9。

圖9 柜門板排孔Fig.9 Cabinet door panel row holes

1）產品長度尺寸變尺。柜門上下框長度尺寸的改變，即可滿足產品在長度尺寸上的定制。其中柜門上下框尺寸變化比例為產品長度尺寸改變的1/3。

2）產品高度尺寸變尺。鉸鏈孔定位采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，孔位信息變化同左側板在高度尺寸變尺，并與之有反向確定孔規則關系。

柜門框均采用45°斜接的方法，其連接孔位——圓棒榫孔位均采用分中規則，具有唯一確定性。

層板俯視圖排孔，藍色標注為可變尺寸，見圖10。

圖10 層板排孔Fig.10 Layer board row holes

1）產品長度尺寸變尺。板件的長度尺寸為476 mm改變來滿足產品長度方向尺寸改變，且尺寸變化比例為產品長度尺寸改變的1/3。

2）產品寬度尺寸變尺。板件兩側三合一圓棒榫孔位采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，Y表示距離邊部尺寸，N表示可變尺寸，Y尺寸為60 mm 滿足了層板三合一孔位位置的合理性。產品在寬度變尺寸定制過程中，僅有N尺寸102 mm 的改變滿足整個板件寬度的改變，保證孔位信息的合理性、通用性、準確性。

抽拉檔俯視圖排孔，藍色標注為可變尺寸，見圖11。

圖11 抽拉檔排孔Fig.11 Drawer frame row holes

1）產品長度尺寸變尺。通過板件的長度尺寸476 mm 改變來滿足產品長度方向尺寸改變，且尺寸變化比例為產品長度尺寸改變的1/3。

2）產品寬度尺寸變尺。抽拉檔尺寸不影響產品寬度尺寸變尺。

抽拉檔板件三合一孔位，采用分中規則排孔，具有唯一確定性，可以根據抽拉檔孔位位于側板1/2 處的特點，反向確定側板孔位，保證側板上抽拉檔三合一預埋螺母孔的合理性、通用性、準確性。

中側板左視圖排孔，藍色標注為可變尺寸，見圖12。

圖12 中側板排孔Fig.12 Middle side plate row holes

1）產品寬度尺寸變尺。板件上下與頂板接孔位采用距離邊部孔規則和偶數孔規則，孔位信息變化同頂板在寬度尺寸變尺。板件中間部位孔位同樣采用距離邊部排孔規則和偶數孔規則，孔位信息變化同層板在產品寬度尺寸變尺。

2）產品高度尺寸變尺。板件高度尺寸350 mm的改變，滿足產品在高度尺寸上的變尺。板件中間層板孔位始終居中，保證層板位置的準確。

變尺排孔規則與傳統排孔規則在變尺定制生產中，排孔資料修改次數的對比，體現出可以提高設計生產效率和提高設計生產資料準確性的優勢，見表2。

表2 排孔資料修改次數對比（以電視柜為例）Tab.2 Comparison of modification times of drilling data(E.g. TV cabinet)

5 排孔規則應用總結與優缺點對比

5.1 排孔規則應用總結

根據定制實木柜類家具生產過程中需要鉆孔工藝零件的特點及接合方式，將排孔類別分為，板件與板件接合排孔、條形零件與板件接合排孔、條形零件與條形零件接合排孔三大類，見表3—5。并根據工廠實際生產實踐，通過表3—5 進行具體說明和總結。（寬度方向大于100 mm 的為板件，小于100 mm 的為條形零件）。

表3 板件與板件接合排孔總結Tab.3 Summary of panel to panel joint hole arrangement

5.2 排孔規則優缺點對比

通過對比可以發現，傳統排孔規則利于常規產品批量化加工生產，變尺排孔規則適用于定制變尺化生產；傳統排孔規則適用于傳統的根據訂單中具體產品生產加工的制造模式，而變尺排孔規則在一定程度上契合成組加工技術、延遲制造技術等現代化生產技術，利用成組加工技術、延遲制造技術等進行批量生產，可以達到降低生產系統的復雜程度，提高生產效率，縮短生產周期的效果[12-14]。

表4 條形零件與板件接合排孔總結Tab.4 Summary of joint hole arrangement between strip parts and panels

表5 條形零件與條形零件接合排孔總結Tab.5 Summary of joint hole arrangement of strip parts and strip parts

續表1

表6 排孔規則優缺點對比Tap.6 Comparison of advantages and disadvantages of drilling rules

6 結語

中國家具制造業隨著時代的腳步正在不斷發展創新，并朝著“工業4.0”和“中國制造2025”的方向不斷努力前進[15]。實木家具工業化變尺定制生產已經是大勢所趨，根據實木柜類家具變尺定制生產的特點，文中分析歸納了零件在長寬高上的變尺需求、確定產品變尺范圍需求、確定結構排孔信息需求、自動化加工與人工加工排孔契合需求，這四條排孔需求；總結提出了距離邊部排孔規則、分中規則、偶數孔規則、反向確定孔規則，這四條具有合理性、通用性、準確性的排孔規則，并進行了實踐論證。歸納總結了實際應用中的優缺點。對實木柜類家具變尺定制化生產具有一定的參考意義。