曲線地板縱向開(kāi)榫機(jī)主軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究?

馬 巖 李 偉 楊春梅 任長(zhǎng)清 周玉成

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，人民的生活水平已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，高質(zhì)量的室內(nèi)環(huán)境是很多人追求的生活目標(biāo)，尤其對(duì)室內(nèi)木質(zhì)家具品質(zhì)更為人們所關(guān)注。木質(zhì)家具中，地板作為家居面積最大的木制品，常規(guī)形狀已經(jīng)滿足不了人們的需求，新方法制造出來(lái)的曲線地板的橫空出世，給消費(fèi)者很大的驚喜[1]。國(guó)內(nèi)曲線地板加工的數(shù)控化設(shè)備比較陳舊，為了擺脫目前的現(xiàn)狀，提高曲線地板的加工能力和水平，研制出高性能、自動(dòng)化、智能化的設(shè)備尤為重要[2]。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高效的曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫設(shè)備勢(shì)在必行。

就地板加工來(lái)說(shuō)，開(kāi)榫加工是地板加工的核心技術(shù)之一，開(kāi)榫機(jī)的技術(shù)水平與產(chǎn)品的質(zhì)量有著很大的關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)開(kāi)榫機(jī)已經(jīng)很完善了，目前對(duì)于新型開(kāi)榫機(jī)來(lái)說(shuō)，技術(shù)的突破在于如何能更加合理地運(yùn)用數(shù)控、自動(dòng)化信息技術(shù)等[3-4]。

地板縱向數(shù)控開(kāi)榫設(shè)備能夠完成地板的粗銑開(kāi)榫槽、精銑開(kāi)榫槽、粗銑開(kāi)榫頭、精銑開(kāi)榫頭、雙端拋光等加工，能夠完成自動(dòng)送料、出料、一次定位、柔性加工、數(shù)控化和專業(yè)化的加工[5-6]。該設(shè)計(jì)解決了一些當(dāng)前開(kāi)榫設(shè)備的加工精度和加工工藝問(wèn)題，對(duì)目前的開(kāi)榫設(shè)備，尤其針對(duì)曲線地板縱向開(kāi)榫的工藝問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，為今后的曲線地板縱向開(kāi)榫加工精度的提高和加工工藝升級(jí)提供了參考。

1 曲線地板縱向榫槽、榫頭加工工藝

1.1 傳統(tǒng)的曲線地板工藝和加工方法

傳統(tǒng)的曲線地板加工形式都是對(duì)曲線地板雙邊單工序加工，其加工工藝為粗銑開(kāi)榫槽、榫頭—精銑開(kāi)榫槽、榫頭—拋光的加工。此過(guò)程中主要完成對(duì)曲線地板的粗銑開(kāi)榫槽、榫頭，精銑開(kāi)榫槽、榫頭，拋光加工[7]。就目前的加工工藝來(lái)說(shuō)，存在著多次定位、加工精度低、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，圖1為傳統(tǒng)曲線地板縱向開(kāi)榫槽加工示意圖。

圖1 傳統(tǒng)曲線地板縱向開(kāi)榫槽加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of machining of general curve floor of general curve

1.2 改進(jìn)后的曲線地板工藝和加工方法

傳統(tǒng)加工工藝的多次定位會(huì)導(dǎo)致曲線地板開(kāi)榫加工精度的降低，故提出了一種新的加工工藝，即一次裝夾定位，多工序組合在一起共同加工，將三個(gè)加工軸機(jī)構(gòu)組合成一個(gè)主軸機(jī)構(gòu)，兩側(cè)各有一個(gè)主軸機(jī)構(gòu)。以曲線地板上側(cè)為榫槽，下側(cè)為榫頭為例，上側(cè)稱為左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)，包括粗銑開(kāi)榫槽總成、精銑開(kāi)榫槽總成、拋光總成；下側(cè)稱為右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)，包括粗銑開(kāi)榫頭總成、精銑開(kāi)榫槽頭總成、拋光總成。各主軸機(jī)構(gòu)具備獨(dú)立的縱向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主軸機(jī)構(gòu)內(nèi)各加工總成軸具有各自獨(dú)立的橫向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)刀具的曲線加工，以此實(shí)現(xiàn)曲線地板的縱向開(kāi)榫加工。由于曲線路徑由數(shù)控程序控制，可以進(jìn)行多種曲線地板的生產(chǎn)加工，具有一定的柔性，同時(shí)加工與數(shù)控之間的關(guān)系就顯得更為緊密了，在編程中保證加工的工藝路線的合理性，彌補(bǔ)誤差，保證加工精度是整個(gè)數(shù)控曲線開(kāi)榫加工的關(guān)鍵[8]。圖2為曲線地板縱向開(kāi)榫槽加工示意圖。

圖2 曲線地板縱向開(kāi)榫槽加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of floor longitudinal opening of curve

2 曲線地板縱向開(kāi)榫機(jī)、主軸機(jī)構(gòu)、縱向?qū)к壷Ъ芸偝刹季峙c結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 曲線地板縱向開(kāi)榫機(jī)總體布局

設(shè)備的布局需要考慮的因素很多，與被加工對(duì)象和實(shí)際驅(qū)動(dòng)進(jìn)給等多方面因素有關(guān)，所以每套設(shè)備都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局和相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)步驟[9-11]。曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)由左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)、右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)、壓緊定位總成、縱向?qū)к壷Ъ芸偝伞⑤斄峡偝山M成，左右結(jié)構(gòu)類似對(duì)稱式結(jié)構(gòu)以更好地符合實(shí)際生產(chǎn)加工。它具有一次裝夾定位，工藝簡(jiǎn)單，可對(duì)多種形式的曲線地板進(jìn)行縱向開(kāi)榫加工等優(yōu)點(diǎn)。具體機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)示意圖Fig.3 Schematic diagram of floor longitudinal numerical control system of curve floor

當(dāng)工件經(jīng)過(guò)輸料總成運(yùn)送至壓緊定位總成處，由壓緊定位總成將工件定位，由壓緊定位總成的推進(jìn)氣缸將工件壓緊，然后左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)和右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)同時(shí)啟動(dòng)在縱向?qū)к壷Ъ芸偝傻拈L(zhǎng)度方向進(jìn)給，進(jìn)給路徑由PLC進(jìn)行控制。加工完成后，工件落下，經(jīng)由輸料總成，運(yùn)離曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)，下一個(gè)工件到達(dá)指定位置，繼續(xù)重復(fù)以上動(dòng)作。數(shù)控開(kāi)榫技術(shù)將會(huì)在未來(lái)開(kāi)榫加工中普遍應(yīng)用，并不斷發(fā)展成熟[12-13]。

2.2 主軸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)曲線地板縱向開(kāi)榫加工工藝的分析，對(duì)傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，確定以多加工軸組合進(jìn)行開(kāi)榫加工，這樣可以減少裝夾定位的次數(shù)，提高加工精度，減少多余工序，提高生產(chǎn)效率。左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式與右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)相似，故以左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行介紹。左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)由粗銑開(kāi)榫槽總成、精銑開(kāi)榫槽總成、拋光總成、左側(cè)支撐件、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)總成、導(dǎo)軌滑塊、限位塊7部分組成，如圖4所示。

圖4 曲線地板縱向開(kāi)榫左側(cè)主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the left main shaft structure of longitudinal joint of curved floor

2.3 縱向?qū)к壷Ъ芸偝山Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縱向?qū)к壷Ъ芸偝墒浅休d左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)的重要支架。左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)由其底端的步進(jìn)電機(jī)總成驅(qū)動(dòng)使其在縱向?qū)к壷Ъ芸偝傻膶?dǎo)軌上進(jìn)行往復(fù)動(dòng)作，形成一對(duì)移動(dòng)副，所以縱向?qū)к壷Ъ艿慕Y(jié)構(gòu)對(duì)左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)加工的穩(wěn)定性起到很大作用。具體運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)與縱向?qū)к壷Ъ芸偝蛇\(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the relationship between the left spindle mechanism and the longitudinal guide rail assembly

縱向?qū)к壷Ъ芸偝捎砷L(zhǎng)導(dǎo)軌架、導(dǎo)軌、齒條、限位塊4部分組成。由于長(zhǎng)導(dǎo)軌架為主要的支撐部件，其強(qiáng)度和剛度指標(biāo)對(duì)主軸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)加工精度具有很大的影響?？v向?qū)к壷Ъ芸偝山Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 縱向?qū)к壷Ъ芸偝墒疽鈭DFig.6 Schematic diagram of longitudinal guide bracket assembly

3 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)確定與長(zhǎng)導(dǎo)軌架的有限元分析

鑒于該設(shè)計(jì)的曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)與左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，故仍以左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，兩側(cè)不同在于刀具不同。左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)主要對(duì)曲線地板側(cè)邊進(jìn)行粗銑開(kāi)榫槽、精銑開(kāi)榫槽、拋光；右側(cè)主軸機(jī)構(gòu)主要進(jìn)行粗銑開(kāi)榫頭、精銑開(kāi)榫頭、拋光等工序。曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)專門用于加工曲線地板的榫槽與榫頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)曲線地板的粗銑開(kāi)榫槽、精銑開(kāi)榫槽、粗銑開(kāi)榫頭、精銑開(kāi)榫頭、拋光榫槽與榫頭5種加工，初定基本參數(shù)如表1所示。

表1 曲線地板縱向數(shù)控開(kāi)榫機(jī)的基本參數(shù)表Tab.1 The basic parameters of curve floor vertical CNC tenoner

由于粗銑刀開(kāi)榫槽的加工量大，粗銑榫頭的加工量與它相似，精銑刀開(kāi)榫槽、榫頭以及拋光工序的加工量都不大，因此，只進(jìn)行初銑榫槽的切削力和功率的計(jì)算。

3.1 粗銑榫槽主軸總成單位銑削力K的計(jì)算

現(xiàn)以松木為例，對(duì)粗銑榫槽主軸總成單位切削力K進(jìn)行計(jì)算，銑刀所受的單元切削力公式[14]如下：

式中：aw——木材的含水率修正系數(shù)；

q——木材切削的直線斜率；

aq——q的修正系數(shù)；

H——松木切削直線的截距；

ah——H的修正系數(shù)；

μz——每齒進(jìn)給量， mm；

θp——運(yùn)動(dòng)遇角，（°）。

其中已知參數(shù)：松木的含水率為15%，含水率修正系數(shù)aw=1.0,松木切削的直線斜率q=3.8,由于新刃磨銑刀齒刀鋒，q的修正系數(shù)aq=1.0，松木切削直線的截距H=0.4，H的修正系數(shù)ah=1.0;未知參數(shù)μz、θp，求解未知參數(shù)如下:

1）每齒進(jìn)給量μz

式中：υμ——銑刀進(jìn)給速度，取υμ=5 m/min;

Z——銑刀的齒數(shù)，取Z=10；

n——銑刀的轉(zhuǎn)速，取n=3 000 r/min。

將上述數(shù)值代入公式（2），μz=0.16 mm。

2）運(yùn)動(dòng)遇角

運(yùn)動(dòng)遇角為切削方向與進(jìn)給方向之間的夾角，設(shè)計(jì)采用三面刃銑刀進(jìn)行銑削，切削方向與進(jìn)給方向互相垂直，即運(yùn)動(dòng)遇角θp=90°。將1）、2）計(jì)算所得的參數(shù)代入公式（1）中，得到銑刀所受單位切削力K=61.784 MPa。

3.2 粗銑榫槽主軸總成單位銑削功率的計(jì)算[15-16]

切削功率可用下式計(jì)算：

式中：aη——修正系數(shù)；

K——單位切削力， MPa；

V0——單位時(shí)間內(nèi)切下的切屑體積，cm3/s。

銑刀的螺旋齒的螺旋角為30°，對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)aη=0.4，單位切削力K=61.784 MPa，V0為未知數(shù)，求解未知參數(shù)如下：

式中：Vμ——進(jìn)給速度，m/s；

S——加工余量截面積, mm2。

其中Vμ為0.083 m/s,S為未知量，求解方程如下。

刀具銑削縱向開(kāi)榫加工如圖7所示,從圖中可知切削的過(guò)程，以及切削路徑范圍。曲線地板的曲線路徑公式如下：

設(shè)定曲線始端位置參數(shù)x1=-pi/2;末端位置參數(shù)x2=1 208.429 203 12，由此推導(dǎo)出弧長(zhǎng)l=1 222.358mm，以1min完成計(jì)，每秒運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)為l0=20.372 mm，加工深度a=10 mm,由幾何關(guān)系可知加工余量的面積：

式中：l0——加工弧長(zhǎng)， mm；a——加工深度， mm。

由此可知S=203.7 mm2。對(duì)于主軸機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡和刀具銑削路徑與切削加工余量具體形態(tài)如縱向開(kāi)榫加工示意圖7所示。

圖7 刀具銑削縱向開(kāi)榫加工示意圖Fig.7 Schematic diagram of the tool milling

將計(jì)算結(jié)果代入公式（4）得V0=16.908 cm3/s，代入公式（3）得到Pη=0.417 kW,選用機(jī)床的傳動(dòng)效率為0.5，安全系數(shù)取1.2,則縱向開(kāi)榫槽主軸總成的最大功率為：

考慮到實(shí)際的工況損失，最終選用的電機(jī)功率為1.1 kW,額定轉(zhuǎn)速2 830 r/min。電機(jī)的型號(hào)：Y802-2。其他結(jié)構(gòu)組件的設(shè)計(jì)精銑開(kāi)榫槽主軸總成、拋光總成、粗銑開(kāi)榫頭主軸總成、精銑開(kāi)榫頭主軸總成的設(shè)計(jì)及計(jì)算與粗銑開(kāi)榫槽主軸總成相似，不再贅述，具體選用結(jié)果如下：精銑開(kāi)榫槽主軸總成電機(jī)型號(hào)：Y801-2；拋光總成的電機(jī)型號(hào)：Y801-2；粗銑開(kāi)榫頭主軸總成的電機(jī)型號(hào)：Y802-2；精銑開(kāi)榫頭主軸總成的電機(jī)型號(hào)：Y801-2。

3.3 長(zhǎng)導(dǎo)軌架的有限元分析

鑒于縱向?qū)к壷Ъ芸偝膳c左側(cè)主軸機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以支架的剛度和強(qiáng)度都必須達(dá)到適合的參數(shù)，并且支架也應(yīng)具備吸收部分振動(dòng)和沖擊的能力[17-20]。選用Q235A，查閱相關(guān)資料，對(duì)應(yīng)的參數(shù)值為：彈性模量E=2.12E+11N/m2，泊松比μ=0.288，密度ρ=7.8E+03 kg/m3?？紤]到長(zhǎng)導(dǎo)軌架的有限元模型分布情況，采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果為：結(jié)構(gòu)微小單元單位為30.793 3 mm，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)73 455個(gè)，單元個(gè)數(shù)37 522個(gè)，如圖8所示為長(zhǎng)導(dǎo)軌架簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分。

圖8 網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Grid cells

對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)軌架進(jìn)行分析，模擬設(shè)定出施加載荷位置的參數(shù),遠(yuǎn)程載荷施加為應(yīng)力F=5 000 N，沿Y方向在950、250、100 mm位置。依據(jù)solidworks2010質(zhì)量屬性可知部件質(zhì)量500 kg，故其實(shí)際施加應(yīng)力為5 000 N方向。經(jīng)過(guò)有限元分析后得出添加力和約束圖如圖9所示，獲得的應(yīng)力圖和位移圖如圖10、11所示。

圖9 添加力和約束圖Fig.9 Force and constraint graph

圖10 應(yīng)力圖Fig.10 Stress diagram

根據(jù)圖10、11所示應(yīng)力圖、位移圖可以看出，所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在如圖所示位置，實(shí)際工作中的力最后均集中在內(nèi)側(cè)橫梁上，切削力、進(jìn)給力與重力相比較小，內(nèi)側(cè)鋼梁所受應(yīng)力最大，應(yīng)力分析結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。最大應(yīng)力值為123.21 MPa，長(zhǎng)導(dǎo)軌架使用的材料是Q235A，由于材料分布均勻，并且計(jì)算精度不高，選取材料強(qiáng)度安全系數(shù)值為[S]=1，查閱相關(guān)資料，其屈服強(qiáng)度為σb=235 MPa，故最大許用應(yīng)力為：

圖11 位移圖Fig.11 Displacement map

經(jīng)有限元分析得出長(zhǎng)導(dǎo)軌架的最大應(yīng)力值未超過(guò)許用應(yīng)力值[σ]，因此長(zhǎng)導(dǎo)軌架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理。綜上，設(shè)備的加工運(yùn)行精度可以滿足實(shí)際生產(chǎn)，具體參數(shù)如下表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)的有限元分析數(shù)據(jù)表Tab.2 Finite element analysis data sheet

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)曲線地板縱向開(kāi)榫主軸機(jī)構(gòu)的切削力和功率計(jì)算確立了設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，對(duì)與主軸機(jī)構(gòu)配合的縱向?qū)к壷Ъ芸偝傻闹饕獦?gòu)件長(zhǎng)導(dǎo)軌架進(jìn)行了有限元分析確立了其強(qiáng)度參數(shù)。在現(xiàn)有的縱向地板開(kāi)榫加工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了提高和改進(jìn)，提出了一種針對(duì)曲線地板縱向開(kāi)榫的加工工藝方法，并進(jìn)行了主軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)出一款可對(duì)曲線地板進(jìn)行開(kāi)榫加工的設(shè)備。該設(shè)計(jì)將對(duì)提高曲線地板縱向開(kāi)榫加工精度和改進(jìn)加工形式具有較大的參考價(jià)值。

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