基于視圖表達(dá)的木家具異形零件分類加工方法?

楊為艷 黃瓊濤 熊先青 張圣清

隨著用戶需求的變化，家具的造型逐漸趨于多樣化。木家具企業(yè)在生產(chǎn)過程中，為了滿足功能和造型上的要求，有些家具的零部件需要做成各種型面或曲面，稱為異形零部件[1]。因?yàn)橥庑尉哂胁灰?guī)則性，與平面簡單的零部件相比，異形零部件在結(jié)構(gòu)表達(dá)與生產(chǎn)加工方面都更為復(fù)雜。

目前，就國內(nèi)大多數(shù)家具生產(chǎn)企業(yè)來說，對異形零部件的加工仍以普通機(jī)床加工為主，加工效率及自動(dòng)化生產(chǎn)水平較低。雖然數(shù)控化設(shè)備具有加工效率高、加工精度高、安全性高等各種優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到其設(shè)備成本及維修成本較高，且操作者文化水平較低，因此，大多數(shù)的企業(yè)仍然選擇傳統(tǒng)的手工設(shè)備加工，以“手工進(jìn)給+銑床加工”作為主要的加工方式。

1 基于視圖表達(dá)方法的實(shí)木家具異形零部件分類

1.1 視圖表達(dá)方法內(nèi)涵

視圖表達(dá)方法主要是指根據(jù)零部件的三視圖來表達(dá)物體外部幾何形狀，從三個(gè)不同的方向?qū)ν粋€(gè)物體進(jìn)行投射得到，能夠正確的反映出物體的長、寬、高以及外形輪廓，是表達(dá)物體形狀的基本方式。

實(shí)木家具異形零部件是指實(shí)木類家具中外形不規(guī)則的實(shí)木零件，通常這類零件的某個(gè)基本視圖中含有非圓曲線[2]，因此其結(jié)構(gòu)表達(dá)與生產(chǎn)加工都較為復(fù)雜。根據(jù)實(shí)木家具異形零部件的定義可知，在異形零部件中，至少有一個(gè)基本視圖中含有非圓曲線，因此可以將異形零部件劃分為三類：一個(gè)視圖含有非圓曲線、兩個(gè)視圖含有非圓曲線、三個(gè)視圖含有非圓曲線。

1.2 實(shí)木家具異形零部件分類

1.2.1 一個(gè)視圖含有非圓曲線

一個(gè)視圖中含有非圓曲線的零件根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以具體分為以下幾個(gè)類型：

1）平面類異形零件。平面類異形零件是指有且只有一個(gè)視圖中含有非圓曲線，且含有非圓曲線的這個(gè)視圖面積較大或最大，其外輪廓近似矩形或圓形，而另外兩個(gè)視圖基本為矩形[2]，如圖1所示。包括寬面及板件型面，即銑出平面尺寸較大的工件的外輪廓，一般是椅子望板、坐面以及桌臺類面板等零部件；平面環(huán)形異形零件，不僅需要對工件的外輪廓進(jìn)行加工，對中間部分也需要銑型，形成一個(gè)環(huán)形，主要是環(huán)形蓋板、外框之類的零部件。

圖1 平面類異形零件Fig.1 Planar special shaped parts

2）線條類異形零件。線條類異形零件指有且只有一個(gè)基本視圖含有非圓曲線，且含有非圓曲線的這個(gè)視圖面積最小，而另外兩個(gè)視圖輪廓為矩形，其在縱向方向?yàn)橹本€，如圖2所示。線條類異形零件在家具中使用較多，而且形狀簡單，方便形成標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)。車間可以分批次加工工件，一般使用四面刨根據(jù)長度不同進(jìn)行加工，同一批次的產(chǎn)品不需要變換太多次刀具。

3）平面曲線類異形零件。平面曲線類異形零件是指零件縱向呈曲線形，且截?cái)嗝鏋榫匦位驁A形等規(guī)則圖形的零部件[3]，如圖3所示。如各種桌幾椅凳腿、床屏、扶手、拉檔等。在加工工藝上較為復(fù)雜，對于彎曲弧度大的部件，一般還需要采用拼板組合的形式，拼成較寬的木料，幾個(gè)工件共同開料，以達(dá)到木材最大的利用率。

圖2 線條類異形零部件Fig.2 Line shaped parts

圖3 平面曲線類異形零部件Fig.3 Planar curve shaped parts

1.2.2 兩個(gè)視圖含有非圓曲線

兩個(gè)視圖中含有非圓曲線的零部件又可以分為兩種類型。

老福和他母親沉默地吃完了飯，獨(dú)自想了很久，在煙缸里使勁摁滅了煙頭對她說:“好了好了，您放心，我一定把羅素青的死因搞清楚，給您一個(gè)滿意的答復(fù)。行了吧？”

1）彎曲類異形零件。指家具的零部件在兩個(gè)方向上均呈現(xiàn)不同的彎曲輪廓線，較為典型的是床類、梳妝鏡的頂線，柜類的上下底框以及柜子的底部飾塊等，其三視圖如圖4所示。加工工藝復(fù)雜，使用手工設(shè)備需多次加工才能完成，而且因?yàn)槎啻渭庸?，很容易?dǎo)致加工時(shí)間長、加工成本高、精確度低等問題。

圖4 彎曲類異形零部件Fig.4 Bending shaped parts

2）軸對稱類異形零件。指三個(gè)基本視圖中，有兩個(gè)視圖含有非圓曲線，且相鄰兩個(gè)視圖均為軸對稱。包括回轉(zhuǎn)體零部件，每一個(gè)截面都為圓形，為軸對稱類異形部件的特例，如柜子、床的車木腳、立柱等，如圖5所示。有的回轉(zhuǎn)體零部件在使用上需要切成1/2或1/4使用，這里也同樣看作是回轉(zhuǎn)體零部件。回轉(zhuǎn)體類零件繞中心軸旋轉(zhuǎn)加工，兩個(gè)視圖基本相同，因此用數(shù)控木工車床加工最為合適。

圖5 軸對稱類零部件Fig.5 Axis symmetrical shaped parts

1.2.3 三個(gè)視圖含有非圓曲線

此類型的零部件一般是由平面與曲面或曲面與曲面構(gòu)成的復(fù)雜外形零件[4]，包括雕刻圖案，也可稱為空間異形零部件。此類零部件在家具中使用得較少，因?yàn)樾螤顝?fù)雜，在結(jié)構(gòu)表達(dá)和加工上都有很大的難度，如圖6所示。常作為家具的腳部出現(xiàn)，例如較典型的三彎腿、S形腿及獸腳等。另外，家具中的立體雕花部件也屬于此類，在三視圖表現(xiàn)上均具有較為復(fù)雜的線條，一般作為家具中的裝飾部件使用。在某企業(yè)的生產(chǎn)中，此類型的部件主要出現(xiàn)在飾面雕花和床頭頂線雕花部分，先劃線，由帶鋸機(jī)鋸出粗樣，然后立銑機(jī)銑型，工人在成型的部件上畫樣，然后手工雕刻。此類型加工最為復(fù)雜，因此在家具中使用最少。往往需要多種設(shè)備、多次加工方可成型，加工成本較高。

圖6 空間異形零部件Fig.6 Space shaped parts

2 實(shí)木家具異形零部件加工工藝

2.1 實(shí)木家具加工工藝流程

實(shí)木家具是以實(shí)體木材為主要原料加工而成的家具，因其溫潤的質(zhì)感、結(jié)實(shí)的質(zhì)量、自然而成的色澤而深受廣大消費(fèi)者的喜愛[5，6]。其加工工序較多，主要分為原木開料、木材干燥、配料、毛料加工、凈料加工、組裝、油漆等。其中原木開料部分工藝為用特殊尺寸的帶鋸機(jī)對原木進(jìn)行切割，使之成為一定規(guī)格的方材；然后利用烘干設(shè)備對木材進(jìn)行干燥，以便得到更好性能的木材?？紤]到加工成本及加工工藝，很多企業(yè)會(huì)選擇購進(jìn)或生產(chǎn)特定規(guī)格的干燥鋸材，即訂制材，根據(jù)加工需要進(jìn)行合理配料。其具體工藝流程如下：

實(shí)木家具就是由多個(gè)實(shí)木零部件組裝而成，因此實(shí)木家具的工藝流程即各零部件的加工工藝流程。異形零部件的加工流程與上述大致相同，實(shí)木備料之后，對毛料進(jìn)行加工，利用不同的設(shè)備對加工后的工件進(jìn)行銑削加工，屬于實(shí)木家具加工工藝流程中的成型部分加工。具體使用的銑削工具及相關(guān)加工工藝根據(jù)零部件類型的不同和設(shè)備的選擇，略有不同，下面就異形零件的不同分類，根據(jù)生產(chǎn)美式臥房家具企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)展開詳述。

2.2 異形零件加工工藝

2.2.1 一個(gè)視圖含有非圓曲線

此類型零部件生產(chǎn)較為簡單，在企業(yè)中占據(jù)的比重也最大，占所有異形零部件的75%左右。較為常見的有床上橫檔、外貼飾條、腰線、床腳、柜類上圍線、抽面飾條、柜面下線等。根據(jù)其具體的零件形狀，選擇使用CNC數(shù)控機(jī)床、四面刨或立式木工銑床加工。

1）平面類異形零件。此種類型的零部件常在寬面上有形狀，使用傳統(tǒng)的手工設(shè)備很難固定和加工，所以一般選擇CNC數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。將零部件的CAD圖紙導(dǎo)入數(shù)控設(shè)備所使用的軟件中，將圖形進(jìn)行優(yōu)化，自動(dòng)生成刀具路徑，選擇合適的刀具大小，讓刀具根據(jù)路徑進(jìn)行銑削加工[7]。數(shù)控車床加工效率高，加工精確度高，安全性較好，但需要有經(jīng)驗(yàn)的工人操作。

2）線條類異形零件。此類異形零件只在截?cái)嗝嬗星€型面，縱向呈矩形，一般在加工寬度及厚度不太大的情況下，可以直接使用四面刨進(jìn)行加工。備出要求規(guī)格的木料，根據(jù)圖紙選擇合適的刀具，由工人手工送料，集四面刨光與簡單的成型一次完成。加工精度與木料的質(zhì)量、前道工序加工質(zhì)量以及四面刨使用的刀具質(zhì)量有關(guān)。加工安全性較高，效率較高，但是其加工尺寸需要根據(jù)設(shè)備來確定，一般使用的六軸四面刨最大加工尺寸為寬200 mm，厚120 mm[8]，實(shí)際加工還達(dá)不到最大尺寸的限制。以圖7中所示的柜子裝飾板加工為例，其零件的寬度、厚度均未超過四面刨的加工范圍，因此可以直接使用四面刨進(jìn)行加工。對于尺寸較大的線條類異形零件，需要使用立式雙軸木工銑床（雙軸立銑）進(jìn)行加工，加工工藝較為簡單，按需求配料，毛料加工之后，使用雙軸立銑機(jī)進(jìn)行銑削加工。

圖7 抽屜面板Fig.7 Drawer panel

3）平面曲線類異形零件。此種類型的零部件一般在長度上有彎曲形狀，其余兩個(gè)視圖均為矩形。為了充分地使用材料，可以采用套模配料的方式，同時(shí)將多個(gè)異形零件一起開料，如圖8所示。在拼成規(guī)格寬度的木料上，依據(jù)樣模畫出大樣線條，使用細(xì)木工帶鋸機(jī)進(jìn)行曲線鋸解[9]，留出3～5 mm的加工余量。然后利用夾具將鋸出的粗坯固定在模板上，使用立式雙軸木工銑床（雙軸立銑），選用單個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的刀軸，采用手工進(jìn)料方式，在銑床臺面水平順木紋方向加工，完成不同方向彎曲線的銑削加工。其工藝流程可參考表1工藝流程1。此類加工方式，需要模板輔助加工，利用1∶1的圖紙，在數(shù)控木工車床上加工出精確的模板，在模板上安裝通用夾具，可以反復(fù)利用。但其加工效率低、加工精度不能保證，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性較低。另外，對厚度一致且彎曲度小的零件，可配合模具在壓刨上進(jìn)行加工。

圖8 曲線形零件套模配料Fig.8 A plurality of bending shaped parts according to template cutting together

2.2.2 兩個(gè)視圖含有非圓曲線

此類型零部件的加工較為復(fù)雜，在家具中使用得也比較多，在研究對象的企業(yè)中占所有異形零部件的20%左右，主要是床類的上頂線、梳妝鏡底座、床腳飾塊、柜類的車木腳、床上帽頭、床上立柱等，可以分為以下兩種類型：

1）彎曲類異形零件。在兩個(gè)視圖中都含有非圓曲線，一般既加工長度方向，又要加工寬度或高度方向。使用雙軸立式木工銑床進(jìn)行多次加工，先加工長度方向內(nèi)外弧線，再加工出兩端形狀。這樣確定了零件的精確規(guī)格之后，再繼續(xù)完成其他型面的加工。如有需要鉆孔的零件，可根據(jù)具體情況先鉆孔后銑型，或先銑型后鉆孔。其加工工藝與平面類的彎曲零件加工相同，可參考表1工藝流程1，不過因?yàn)樾螤钶^之平面類復(fù)雜，因此需要多次加工方可完成。

2）軸對稱類異形零件。軸對稱零件加工一般需要將木料拼板成所需形狀的最大直徑規(guī)格，利用數(shù)控木工車床自動(dòng)加工，工人只需要負(fù)責(zé)上料及下料即可，一人可以看管多臺機(jī)器。工件的砂光，可以利用仿形車床，將車削好的零件固定，通過機(jī)器的高速旋轉(zhuǎn)，工人只需要將砂紙放在工件上，即可完成砂光。對于加工過程中產(chǎn)生的缺陷，可以使用木屑粉和膠水進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)零部件使用的情況，可以將回轉(zhuǎn)體零部件，精切成1/2或1/4。如圖5所示的床柱，即為軸對稱零件，其具體加工流程參考表1工藝流程2。

2.2.3 三個(gè)視圖含有非圓曲線

此類型零件在家具中使用得最少，占企業(yè)異形零件的5%左右。主要是腳部、飾塊、床頭上頂彎、梳妝鏡上頂彎，大概可以分為傳統(tǒng)加工和數(shù)控加工兩種方式進(jìn)行加工。

傳統(tǒng)的加工方式可將木工銑床設(shè)備加工和手工雕刻結(jié)合起來。根據(jù)零部件的規(guī)格配料，按樣板劃線，使用細(xì)木工帶鋸機(jī)曲線鋸解之后，再使用木工銑床靠模銑型、修邊，其加工工藝與工藝流程1相同。對于雕刻或難以用設(shè)備加工的部分，可用人工進(jìn)行雕刻加工。在完成木工銑床銑型、修邊之后，在需要雕刻的部分使用模具畫樣，利用線鋸機(jī)鋸出大致輪廓，再進(jìn)行手工雕刻。此方式工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低、加工精度不高、安全性較低，不適合大批量生產(chǎn)。例如圖9所示的床頭上頂彎的加工，工藝較為復(fù)雜，需要使用雙軸立銑多次加工，銑出頂彎的形狀，然后手工雕刻中部雕花部分，其具體的工藝流程可參考表1工藝流程3。

由于數(shù)控技術(shù)及自動(dòng)銑型技術(shù)的出現(xiàn)，對復(fù)雜零部件多使用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工。通過建?；?qū)κ止さ窨虡悠愤M(jìn)行掃描的逆向工程加工[10]，將圖紙導(dǎo)入設(shè)備對應(yīng)的軟件，自動(dòng)生成刀具路徑，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。待加工工件首先經(jīng)毛料加工，再由帶鋸機(jī)鋸解，得到一個(gè)大概的彎曲形狀，固定在數(shù)控機(jī)器上。刀具根據(jù)生成的路徑自動(dòng)加工，工人只需要負(fù)責(zé)上料與下料，以及處理加工中出現(xiàn)的問題。此種方式減少了工人的勞動(dòng)量，加工精確度高，加工效率高，極大地提高了加工過程中的安全性，但是其設(shè)備的成本較高。具體可參考表1工藝流程4。

圖9 床頭上頂彎及雕花飾塊Fig.9 The bed top bending and carved decoration

表1 不同類型零件具體工藝流程Tab.1 Specific process flow of different types of special shaped parts

3 結(jié)語

實(shí)木家具多樣化的造型勢必帶來產(chǎn)品零部件的多樣化，異形零部件也因此在家具中使用得越來越多。面對眾多的零部件，如何選擇合適的加工設(shè)備和正確的加工工藝進(jìn)行加工，是提高企業(yè)生產(chǎn)效率及加工安全性的首要任務(wù)。筆者通過對企業(yè)的調(diào)研，對異形零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和歸納，并對其每一類型的加工工藝和流程進(jìn)行總結(jié)分析，可以為企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品異形零部件模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)以及設(shè)備的選型提供參考，形成標(biāo)準(zhǔn)化的加工工藝，減少因工序混亂浪費(fèi)的時(shí)間，在保證最低加工成本的情況下，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

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