實木門砂光機核心模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

馬 巖，許洪剛，楊春梅

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

實木門自古以來就透著一種溫情，不僅具有天然木紋紋理和色澤，而且款式多樣，雕刻精美。隨著人們生活水平的提高，對綠色消費、回歸自然的需求越來越高，實木門的優(yōu)越性受到越來越多人的青睞，同時人們對木門美觀性及表面質(zhì)量要求也越來越高[1]。而實木門表面砂光現(xiàn)多采用異形砂光機或者手動砂光完成，不僅容易產(chǎn)生漏砂、過砂等現(xiàn)象，而且砂光質(zhì)量不高，效率低[2]，現(xiàn)有的適用于木門的專用砂光機更是少之又少，而且多為異形砂光機，其砂光質(zhì)量不高，而且砂光寬度有限制，這成為木門產(chǎn)業(yè)向機械化發(fā)展的主要瓶頸。

本研究設(shè)計的砂光機是實木門砂光的專用設(shè)備，可以一次完成木門上中下挺、豎挺的上下兩面及木門內(nèi)部凹陷的四周邊角的砂光。在設(shè)計過程中如何適應(yīng)不同寬度實木門的砂光以及如何使砂光更加合理、高效是該設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵，設(shè)計了移動式組合砂光模塊及傳送模塊來解決該問題，不僅可以砂光不同寬度的實木門，而且提高了砂光表面質(zhì)量。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 砂光工藝原理

砂光工藝是家具生產(chǎn)過程中不可或缺的工序，主要用來去除工件表面誤差，提高工件表面質(zhì)量，是決定家具品質(zhì)的重要一環(huán)，砂光工藝的本質(zhì)機理其實是以磨粒作為刀具的特殊的、多刀刃的切削加工形式，即磨粒以一定的壓力和速度對工件表面材料進行切除，同時自身也受損的過程(圖1)，當切削加工時，每個磨粒大多以負前角和小后角進行切削，而被加工工件表面先后經(jīng)歷彈性形變、塑性形變(滑移、晶界滑動、擴散性蠕變)以及切削斷裂3個階段[3-4]，在壓力的作用下，磨粒與工件有足夠的相對位移，磨粒才開始真正“切削”，此時在磨粒的前方被切削材料產(chǎn)生斷裂，從工件表面分離，完成整個砂光過程。

圖1 砂光機理Fig.1 Sanding mechanism

1.2 實木門砂光機布局分析

砂光機布局是否合理決定了實木門是否可達砂光最優(yōu)，合理的砂光布局不僅可以提高木門砂光質(zhì)量，而且可以大大提高砂光效率。其布局合理性不僅與砂光類型的選擇有關(guān)，而且還關(guān)系到實木門各挺的砂光順序[5-6]。

1.2.1 砂光機類型 砂光機是利用磨料消除木材表面誤差的機床，在木材加工行業(yè)中有著不可替代的作用。目前市場上砂光機種類繁多，樣式各異，不僅可以砂光大幅面的人造板，也可以對窄木條進行砂光。但總體來說，砂光主要分為輥式、盤式、帶式3種砂光類型(圖2)。

圖2 砂光類型Fig.2 Sanding types

1)輥式砂光機，輥式砂光機外表面上纏繞著砂布與劍麻纖維，運動時與工件的接觸面為圓弧，其加工后的表面為波浪狀，加工質(zhì)量較差，多用在大幅面直線板件的邊部曲線或環(huán)狀部件的砂光。

2)盤式砂光機，盤式磨削是在圓盤上粘貼砂紙或砂布，通過圓盤的旋轉(zhuǎn)來對工件進行磨削。砂盤在旋轉(zhuǎn)時，其中心速度幾乎為0，只能使用砂盤的邊緣部分進行磨削，主要用于磨削工件上邊棱、端頭、轉(zhuǎn)角等部位。

3)帶式砂光機，砂帶磨削是高速運動的“微刃切削刀具”磨粒的微量切削作用疊加而成，其磨削機理與砂輪磨削是一樣的。但是，基于砂帶磨削的特殊性，砂帶磨削屬于彈性磨削，具有磨削、研磨和拋光等多重作用，這也正是砂帶磨削比砂輪磨削質(zhì)量較高的原因所在，而且磨削溫度較低[7]。

1.2.2 砂光結(jié)構(gòu)布局確定 為保證最優(yōu)砂光效果，首先要選擇合理的砂光類型，結(jié)合各類型特點，對木門各挺平面砂光時采用帶式砂光；對其邊角采用盤式砂光機砂光，砂光靈活，能很好地解決漏砂現(xiàn)象；所有砂光類型采用上下對稱布置，可以在保證砂光質(zhì)量的同時大幅提高砂光效率，最終確立砂光布局(圖3)，該布局可一次完成實木門上中下挺、豎挺的上下兩面及內(nèi)部凹陷的四周邊角的砂光。

考慮到砂光機需要完成的砂光工序以及設(shè)計的合理性，將砂光部分設(shè)計為2組砂光模塊(圖3)，第1組砂光模塊由第一、第二錐形砂光輥及y向帶式砂光機組成；第2組由第三錐形砂光輥與x向帶式砂光機組成。2組砂光模塊分別對實木門不同區(qū)域砂光，第1組主要對木門上中下挺上下兩面及除豎挺兩側(cè)的所有內(nèi)部凹陷邊角砂光，第2組主要對木門豎挺上下面及其兩側(cè)凹陷的邊角砂光；在本設(shè)備前還有1臺輔助砂光機及輔助進料臺，輔助砂光機完成對木門邊挺的砂光，輔助進料臺保證木門順利進料。

注：3-1.第1組砂光模塊；3-2.第2組砂光模塊。

圖3砂光布局圖
Fig.3 Sanding layout

2 確定砂光機方案

2.1 帶式砂光機的選擇

選擇合理的帶式砂光機，不僅可以保證木門的砂光質(zhì)量，而且可以提高砂削效率，我國實木門門挺寬度一般不超過100 mm，為防止產(chǎn)生過砂現(xiàn)象，選用窄帶式砂光機(選用寬度相對較大的砂光機，若中挺寬度超過100 mm，可根據(jù)其寬度更換砂帶)；同樣砂帶線速度也是影響砂光質(zhì)量的重要因素，線速度越高砂光質(zhì)量越高，但切削熱也成比例提高，會造成實木門表面被燒傷，速度過低則會影響砂光質(zhì)量，對于不同實木類型，砂帶線速度在10～20 m·s-1時砂光效果較好，而磨墊式砂光頭的砂帶速度一般為12～22 m·s-1，可選用窄帶磨墊式砂光機；砂帶粒度的粗細決定了切削去除率的高低，粒度越粗，去除率越高，相反則越低，對于實木門素門砂光過程中如櫻桃木等表面材質(zhì)較軟的選用150目以上砂帶砂光；如水曲柳等材質(zhì)較硬的要選用80～150目砂帶砂光，當然砂帶的選擇除與木材的軟硬有關(guān)，還可能受到零件初始粗糙度、后期裝飾方法等因素影響，在實際使用時可根據(jù)不同情況更換不同砂帶[8-11](若要求較高，則可在生產(chǎn)線上連續(xù)布置2臺分別選用不同目數(shù)砂帶的此設(shè)備，增加砂光精度)。最終選用S400型號帶式砂光機，工作氣壓為0.3 MPa，砂帶可更換。

2.2 實木門砂光機基本參數(shù)

設(shè)計的砂光機專門用于實木門的素門砂光，一次就可完成實木門上中下挺、豎挺的上下兩面及內(nèi)部凹陷的四周邊角的砂光，表1的參數(shù)是綜合考慮實木門及砂光過程中動態(tài)特性得出的，可為后續(xù)砂光機設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

表1 砂光機基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of sander mm

2.3 實木門砂光機方案確定

根據(jù)上述布局分析，結(jié)構(gòu)形式及基本參數(shù)的指定，確定砂光機結(jié)構(gòu)見圖4，主要由第1組砂光模塊、傳送模塊、第2組砂光模塊及底座4部分組成。第1組砂光模塊完成對木門上中下挺上下兩面及除豎挺兩側(cè)的所有內(nèi)部凹陷邊角的砂光；第2組砂光模塊完成對木門豎挺上下面及其兩側(cè)凹陷的邊角的砂光；傳送模塊為木門輸送提供動力，分為移動端和固定端，移動端可以移動以適應(yīng)不同實木門寬度；底座用來支撐整個砂光機。

注：4-1.第1組砂光模塊；4-2.傳送模塊；4-3.第2組砂光模塊；4-4.底座。

工作時，移動端傳送模塊根據(jù)實木門寬度調(diào)節(jié)位置，然后向前輸送，當實木門的上挺輸送到第1組砂光模塊時停止輸送，第1組砂光模塊開始對木門上挺上下面及其兩側(cè)邊角進行砂光，完成上挺砂光后木門繼續(xù)向前輸送，木門中挺、下挺砂光也是同樣原理，所以第1組砂光模塊是間歇式砂光；當實木門輸送到第2組砂光模塊時，第2組砂光模塊開始對豎挺上下面及其凹陷的兩側(cè)邊角進行砂光，砂光的同時木門繼續(xù)向前輸送，所以第2組砂光模塊是連續(xù)式砂光；采用2個砂光模塊的設(shè)計，不僅可以使結(jié)構(gòu)緊湊，還能提高砂光效率。

3 砂光機核心模塊設(shè)計

3.1 第1組砂光模塊設(shè)計

根據(jù)第1組砂光模塊的砂光要求，確定結(jié)構(gòu)方案(圖5)，由第一錐形砂光輥、連接架、y向帶式砂光機、機架、第二錐形砂光輥5部分組成；第一錐形砂光輥與y向帶式砂光機運動形式相同，所以將其都安裝在連接架上，由步進電機1驅(qū)動其在機架上往復(fù)砂光；第二錐形砂光輥由4組盤式砂光機組成，其位置根據(jù)實木門寬度由步進電機2進行調(diào)節(jié)，完成對實木門兩側(cè)邊挺內(nèi)側(cè)凹陷位置的砂光。

注:5-1.第1錐形砂光輥；5-2.連接架；5-3.y向帶式砂光機；5-4.機架；5-5.第2錐形砂光輥。

圖5第1組砂光模塊
Fig.5 The first sanding module

第1組砂光模塊是該砂光機的重要部件，其往復(fù)砂光運動由步進電機控制，電機選擇是否合理是影響砂光質(zhì)量的重要因素，所以對電機選型過程中所需扭矩進行分析計算是保證設(shè)計合理的關(guān)鍵，以下以步進電機1選型為例，對磨削力及整體往復(fù)運動時所受負載進行分析。

3.1.1 磨削力計算y向帶式砂光機在磨削實木門時，磨削原理見圖6，圖中v是砂光機進給方向，q為磨削時壓墊對木門施加的壓力，F(xiàn)為磨削時產(chǎn)生的切向力。根據(jù)磨削物理特性，磨削時產(chǎn)生切向力計算[12-13]：

F=q·fm

(1)

式中，磨削系數(shù)fm主要與砂布磨粒直徑、變鈍程度以及被加工材料的性質(zhì)有關(guān)。對于木材fm可用式(2)經(jīng)驗公式求得：

(2)

式中，di為主要磨粒的直徑，Ks為樹種修正系數(shù)(樺木Ks=1，松木Ks=0.95，櫟木Ks=0.85)；Kp為磨粒變鈍修正系數(shù)(尖銳Kp=1.3，中等尖銳Kp=1，鈍的Kp=0.8)。

在計算系數(shù)時，為了保證設(shè)計的合理性，應(yīng)按照極大值計算。因砂帶目數(shù)最小時顆粒尺寸最大，查閱磨粒粒度及顆粒尺寸表可知，磨粒粒度為80時顆粒尺寸200～160 μm，取最大值200 μm，即di=0.2 mm，樹種修正系數(shù)Ks取1，砂布磨粒變鈍程度修正系數(shù)Kρ取1.3，將系數(shù)分別代入式(2)得fm=0.66。

選擇的帶式砂光機壓墊氣缸工作壓力為P=0.3 MPa，氣缸缸徑d=20 mm，所以得：

(3)

圖6 帶式砂光機磨削原理Fig.6 The grinding principle of belt sander

將式(2)(3)計算所得結(jié)果代入式(1)得磨削切向力F=62.2N。

3.1.2 載荷計算 步進電機1在驅(qū)動砂光機構(gòu)往復(fù)運動時主要承受慣性負載與摩擦負載，這2種負載是計算電機靜力矩的基本依據(jù)，下面結(jié)合圖7建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并對負載進行分析計算[14-15]。第1錐形砂光輥、y向帶式砂光機及連接架在4個滑塊上產(chǎn)生力見圖7，圖中P1-4為滑塊受到徑外加載荷，P(1-4)T為滑塊受到的橫向外加載荷，m1為連接架質(zhì)量，m2為y向帶式砂光機質(zhì)量，m3為第1錐形砂光輥的質(zhì)量。

3.1.2.1 摩擦負載 圖中P3、P4方向向外，P1、P2方向向內(nèi)，但其大小相同，根據(jù)圖7可得徑向外加載荷P1-4：

(4)

其中L0=410 mm，L1=65 mm，L2=30 mm，L4=150 mm，L5=325 mm，L6=200 mm，L7=215 mm，L7=320 mm,m1=57 kg，m2=102 kg，m3=80 kg，將其代入式(4)求得∣P(m1)1-4∣=380N；∣P(m2)1-4∣=731N；∣P(m3)1-4∣=853.3N。

圖7 滑塊受力圖Fig.7 The force diagram of slide

因為m1、m2重心在滑塊內(nèi)側(cè)，方向向下，所以作用在4個滑塊上的橫向外加載荷P1-4T方向向下；而m3重心在4個滑塊的外側(cè)，所以作用在滑塊1、4上的橫向外加載荷P1T、P4T方向向下，作用在滑塊2、3上的橫向外加載荷P2T、P3T方向向上，根據(jù)圖7得式(5)：

(5)

綜上所述，各滑塊受到徑向外加載荷P及滑塊受到總的徑向外加載荷P總，還有各滑塊受到橫向外加載荷PT及滑塊受到總的橫向外加載荷PT總?cè)缡?6)：

(6)

查得滑塊與導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.003，但由于受到裝配、防塵件等因素影響，在設(shè)計計算時按照μ=0.03使用，所以砂光組件在往復(fù)砂光運動中受到導(dǎo)軌的摩擦阻力f如式(7)：

f=(P總+PT總)·μ=317N

(7)

所以步進電機需要克服的總的負載f總?cè)缡?8)所示：

f總=F+f=379.2N

(8)

其中電機軸驅(qū)動齒輪直徑D=40 mm，齒輪齒條效率取η=0.95，步進電機減速比取i=5，從而求得電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL如式(9)所示：

TL=f總·D/2η·i=1.6N·m

(9)

3.1.2.2 負載慣量 步進電機1在帶動砂光組件往復(fù)砂光運動時，會頻繁加減速，所以步進電機還需要克服負載慣量產(chǎn)生的加減速力矩，因設(shè)計最大運動速度為Vmax=12 m/min，取最短加速時間t=0.1s(一般取0.1～1s，按照加速度極大值取)，所以所以求得加速度a、電機軸角加速度β及負載慣量J如式(10)所示[16]：

(10)

式中,Jm為負載的慣量，將各參數(shù)分別帶入可得Jm=0.095 6 kg·m2，Jm1為小齒輪慣量，因其質(zhì)量很小可忽略不計，從而求得J≈Jm=0.095 6 kg·m2，所以折算到電機軸上的慣量為J電=J/i2=0.003 824 kg·m2，綜上可得電機軸克服慣量所需加減速轉(zhuǎn)矩TS如式(11)所示：

TS=J電×β/η=0.04N·m

(11)

綜上所述y向步進電機所需必須轉(zhuǎn)矩T總=TL+TS=1.64 N·m，此結(jié)果僅包括負載力矩及加減速力矩，并沒有考慮導(dǎo)軌和滑塊裝配時誤差產(chǎn)生的摩擦、轉(zhuǎn)動慣量等因素，因此，為解決這個問題，我們應(yīng)該在此基礎(chǔ)上再乘以一個安全系數(shù)，取安全系數(shù)S=2.5，所以得T實際=4.1 N·m ，最終選用型號86BYG350BH-0201，扭矩5 N·m，步距角1.2°。

以砂光過程中砂削力、摩擦負載及慣性負載的分析計算作為理論基礎(chǔ)，選擇合理的驅(qū)動電機，保證了第1組砂光模塊設(shè)計的合理性。第2錐形砂光輥及第1組砂光模塊上的控制電機理論計算基本與此類似，不再贅述。

3.2 第2組砂光模塊設(shè)計

根據(jù)第2組砂光模塊的砂光要求，確定結(jié)構(gòu)方案(圖8)，第2組砂光模塊主要包括x向帶式砂光機、第3錐形砂光輥、機架、及連接機架4部分組成；其中第3錐形砂光輥與x向帶式砂光機運動形式相同，將其都安裝在連接機架上，由步進電機驅(qū)動在y向小范圍移動，以適應(yīng)不同寬度木門的豎挺位置。

當實木門離開第1組砂光模塊時，傳感器檢測木門豎挺位置，調(diào)整x向帶式砂光機及第3錐形砂光輥位置，在木門到達x向砂光機前使其與木門豎挺中間位置對齊，以防止第三錐形砂光輥及x向帶式砂光機砂光木門豎挺時產(chǎn)生漏砂、過砂現(xiàn)象。

注：8-1.x向帶式砂光機；8-2.第3錐形砂光輥；8-3.機架；8-4.連接機架。

圖8第2組砂光模塊
Fig.8 The second sanding module

3.3 傳送模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的砂光機的傳動結(jié)構(gòu)可分為輥筒式進料與鏈板式進料。其中，輥筒輸送機具有輸送量大，幅面寬的優(yōu)點，適用于底部是平面的物品輸送；鏈板式輸送機構(gòu)輸送能力高，常用于雙端銑及封邊機等的進給部分，但其成本較高，傳動過程中振動較皮帶傳動大，接觸精度低。最終選用表面有摩擦紋的帶式傳送，不僅傳動平穩(wěn)，而且成本較低。

因所設(shè)計砂光機需要適應(yīng)不同寬度的實木門，所以將傳送模塊設(shè)計為固定端和移動端(圖9)，固定端作為基準，移動端可移動調(diào)節(jié)；同時配有壓輥組件，主要為木門輸送過程中提供壓力，以增大與皮帶的摩擦力，保證輸送過程的穩(wěn)定性。

注：9-1.固定端傳送機構(gòu)；9-2.移動端傳送機構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

通過對實木門砂光機工作原理的分析，確立了整機布局，進而確定了總體方案；然后以第1組砂光模塊砂光實木門過程中所產(chǎn)生砂削力及所受載荷為例，對其進行了分析計算，并以此作為理論基礎(chǔ)進行了控制電機的選型，進而完成了第1組砂光模塊與第2組砂光模塊的設(shè)計；最后根據(jù)實木門砂光過程中的輸送特點完成了傳送模塊的設(shè)計。

該實木門專用砂光機可一次完成木門上中下挺、豎挺的上下兩面及木門內(nèi)部四周凹陷邊角的砂光，與國際上比較先進的德國豪邁、意大利SCM的砂光機及劉艷麗[17]描述的蘇福馬的寬帶式砂光機相比解決了漏砂、過砂問題，而且各砂光模塊分工更為明確，成本低；與王冠星[18]所設(shè)計的砂光機相比砂光效率高，而且砂光范圍廣；與國內(nèi)比較先進的威特動力、建誠偉業(yè)的異性砂光機相比砂光表面質(zhì)量好，效率高，投入使用后有很大的經(jīng)濟效益。

參考文獻:

[1] 徐楊.現(xiàn)代實木門的裝配工藝及設(shè)備[J].木工機床,2009(4):27-29,22.

XU Y.Solid wood door assembly technologyand equipment[J].Woodworking Machinery,2009(4):27-29,22.(in Chinese)

[2] 張占寬,彭曉瑞,王寶剛,等.木門異形表面砂光粗糙度分析[J].木材工業(yè),2012,26(2):14-17.

ZHANG Z K,PENG X R,WANG B G,etal.Surface quality evaluation after sanding wooden doors[J].China Wood Industry,2012,26(2):14-17.(in Chinese)

[3] 劉博,李黎.木材磨削切削力研究進展[J].木材加工機械,2007,18(6):32-34.

LIU B,LI L.The study on the wood sanding force[J].Wood Processing Machinery,2007,18(6):32-34.(in Chinese)

[4] GURAU L,MANSFIELD-WILLIAMS H,IRLE M.Filtering the roughness of a sanded wood surface[J].European Journal of Wood and Wood Products,2006,64(5):363-371.

[5] 王朋輝,李立君,高自成,等.擺動式林果采摘頭設(shè)計與分析[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2015,30(5):288-291.

WANG P H,LI L J,GAO Z C,etal.The design and analysis of oscillating fruit picking head[J].Journal of Northwest Forestry University,2015,30(5):288-291.(in Chinese)

[6] 許美君,郭蕾,李黎.寬帶砂光機磨削正壓力及橡膠帶的優(yōu)化配置[J].木材加工機械,2014,25(4):13-16.

XU M J,GUO L,LI L.Optimal selection of sanding pressure and feeding belt in abrasive belt sanding machine[J].Wood Processing Machinery,2014,25(4):13-16.(in Chinese)

[7] 張杰.木門異形表面砂光工藝研究[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院,2011.

[8] 李曉旭,陳永光,李黎.木質(zhì)材料砂帶磨削的若干問題[J].木材加工機械,2010,21(3):44-48,43.

LI X X,CHEN Y G,LI L.Abrasive belt sanding technology of wood-based panel[J].Wood Processing Machinery,2010,21(3):44-48,43.(in Chinese)

[9] 李黎.木材切削原理與刀具[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[10] TAN P L,SHARIF S,SUDIN I.Roughness models for sanded wood surfaces[J].Wood Science and Technology,2012,46(1):129-142.

[11] 王成剛,陳效黨,朱建榮,等.淺談家具中的砂光工藝[J].林產(chǎn)工業(yè),2010,37(4):42-44.

WANG C G,CHEN X D,ZHU J R,etal.Brief introduction to sanding process in furniture production[J].China Forest Products Industry,2010,37(4):42-44.(in Chinese)

[12] 高自成,李立君,劉銀輝.油茶果采摘機采摘機械臂的機構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2012,27(2):266-268.

GAO Z C,LI L J,LIU Y H.The mechanism design and movement simulation for the mechanical arm of the oil tea camellia fruit picking machine[J].Journal of Northwest Forestry University,2012,27(2):266-268.(in Chinese)

[13] XU M,LI L,LUO B.Study on sanding force and sanding optimal parameters of manchurian ash[J].European Journal of Wood and Wood Products,2015,73(3):385-393.

[14] 楊祖孝.精密滾動直線導(dǎo)軌的選擇與計算[J].機械制造,2001,39(9):37-40.

[15] ZHANG Y M,XIE Z K,LIU Y X.Modeling and calculation of dynamic performances of NC machine tool considering linear rolling guideway[J].Applied Mechanics & Materials,2009,16-19:510-514.

[16] 范超毅,范巍.步進電機的選型與計算[J].機床與液壓,2008,36(5):310-313,324.

FAN C Y,FAN W.Slection and calculation of stepping motor[J].Machine Tool & Hydraulics,2008,36(5):310-313,324.(in Chinese)

[17] 劉艷麗.寬帶式砂光機的類型與結(jié)構(gòu)[J].中國人造板,2013,20(1):23-26.

[18] 王冠星.實木門表面砂光機的設(shè)計與動態(tài)仿真分析[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2014.