智能化木門砂光機床核心部件設(shè)計與研究?

趙 輝 鄭春朋 馬 巖 任長清

（東北林業(yè)大學，哈爾濱 150040 )

各類木門已走進千家萬戶，隨著生活水平的提高，人們對木門品質(zhì)的要求越來越高。木門的外觀是重要的評判標準，一般體現(xiàn)在木門表面噴漆是否光滑。提高木門的表面裝飾性能，除了要有較高的噴漆水平，還應(yīng)該保證坯件表面光潔，此步驟需通過砂光機進行表面砂光完成，其中，帶式砂光機因具有加工幅寬大、生產(chǎn)效率高、散熱條件好、砂帶更換便捷、粗砂精砂變更方便及加工精度高等特點，被廣泛應(yīng)用于木門表面砂光[1-4]。

木門根據(jù)其裝飾的雕刻花紋可以分為陽刻木門與陰刻木門。陽刻木門指加工的雕刻花紋留下輪廓線，其余部分去掉，一般凸出于木門表面，而陰刻木門與之相反，一般把形體本身的輪廓線去掉，圖案在木門表面之下[5-6]。目前，人們對陰刻木門的定制需求逐年增加，傳統(tǒng)砂光機床無法滿足陰刻木門全部的加工需求，生產(chǎn)效率大大降低，本文就陰刻木門砂光機床進行設(shè)計研究，以實現(xiàn)陰刻木門砂光的自動化和智能化[7]。

1 砂光機砂光工藝分析與整體設(shè)計

1.1 砂光工藝原理

砂光工藝是陰刻木門生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它直接影響陰刻木門的外觀質(zhì)量，是決定陰刻木門品質(zhì)的重要一環(huán)。砂光工藝的本質(zhì)是將分布在砂帶基體上的各個磨粒作為刀具進行的一種特殊的、多刃的切削加工形式，整個磨削過程較為復(fù)雜，在壓力作用下，磨粒與工件接觸，磨粒大多以負前角和小后角進行切削，工件表面因擠壓式運動切除少量材料，在壓力與速度達到一定值后，被加工材料在磨粒前方斷裂形成切屑，而后掉落，最終形成加工表面。在加工區(qū)域內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量相對較多，單顆所受載荷相對較小，砂帶磨削具有較大的容屑空間，磨屑可以直接帶走，不易造成砂帶堵塞[8-11]。

1.2 陰刻木門砂光機床總體布局分析

合理的砂光布局能夠提高砂光質(zhì)量和工作效率，這與砂光機類型的選擇與陰刻木門各部分的加工順序有關(guān)。隨著砂光技術(shù)的快速發(fā)展，市面上的砂光機種類多樣，但大致可以分為盤式砂光機、輥式砂光機、帶式砂光機[12-13]，其中帶式砂光機的磨削質(zhì)量高，磨削溫度較低，但砂光時受到人為控制的壓力影響較大。

專用機床主要完成陰刻木門的側(cè)面及表面的砂光工作，用規(guī)格材組裝好的陰刻木門由于設(shè)備和人工等原因整體會有誤差，往往不規(guī)整，兩側(cè)面可能會有較小的角度傾斜或側(cè)表面不平等現(xiàn)象，因此首先對整個木門的兩側(cè)面進行小加工量的垂直加工，以達到規(guī)方效果，之后再進行側(cè)表面砂光，最后進行主要的表面砂光。

根據(jù)以上分析，側(cè)邊砂光采用2 組窄帶式砂光機，用于粗砂精砂；對陰刻木門表面采用3 組寬帶式砂光機，以完成定厚，粗砂精砂；對有陰刻雕刻花紋表面及內(nèi)部凹陷處采用10 個盤式砂光機，最終確定砂光布局如圖1。該布局可以一次性完成陰刻木門兩側(cè)面、門面及陰刻雕刻花紋面的精砂，大大提高了工作效率。

圖1 砂光布局示意圖Fig. 1 Sanding layout diagram

2 陰刻木門砂光機床方案確定

2.1 帶式砂光機的選取

側(cè)邊砂光的加工量實則為陰刻木門的厚度，一般不超過100 mm，因此選擇窄帶式砂光機，陰刻木門表面砂光選擇寬帶式砂光機。砂帶的線速度一般在10 ～20 m/s時，砂光效果較好。粗砂精砂由于砂光精度不同，需選取不同粒度的砂帶，粗砂時為提高生產(chǎn)效率，宜選用較粗粒度的砂帶，一般選用粒度40～100 號的砂帶，精砂時選粒度120～180 號的砂帶，需注意相鄰兩道工序的粒度號不應(yīng)超過兩級[14]，可根據(jù)實際需求靈活更換不同砂帶。

2.2 陰刻木門砂光機床基本參數(shù)

結(jié)合上述分析與陰刻木門的實際加工需求，得出砂光機床參數(shù)見表1。表中數(shù)據(jù)為后續(xù)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

表1 基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters

2.3 設(shè)計方案

根據(jù)前文布局分析及基本參數(shù)的選取，設(shè)計整機結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由規(guī)方銑削、側(cè)邊砂光和表面砂光組成。規(guī)方銑削首先完成對整個陰刻木門兩側(cè)邊小于1 mm的切削，使木門坯料形狀更加規(guī)整，方便后續(xù)加工；側(cè)邊砂光采用兩組不同粒號的窄帶式砂光機，完成兩側(cè)邊的粗砂精砂；表面砂光通過第一組寬帶式砂光機完成陰刻木門表面的定厚砂光，10 組盤型砂光機完成陰刻花紋及所有內(nèi)部凹陷邊角的砂光，而后通過后兩組寬帶式砂光機完成陰刻木門表面的粗砂精砂。規(guī)方銑削和側(cè)邊砂光各自都有移動端與固定端，通過調(diào)節(jié)兩端的距離以適應(yīng)不同寬度的木門。

圖2 整機結(jié)構(gòu)Fig. 2 The whole machine structure

3 陰刻木門砂光機床核心模塊設(shè)計

3.1 規(guī)方銑削設(shè)計

規(guī)方銑削的具體結(jié)構(gòu)方案如圖3 所示。移動端根據(jù)加工的木門寬度調(diào)整位置，兩側(cè)壓輥夾緊木門，兩側(cè)銑刀可在底座上移動，從而調(diào)節(jié)銑削量，傳送帶轉(zhuǎn)動后帶動木門前進，并完成兩側(cè)邊的銑削。其中，銑刀是關(guān)鍵部件，需要保證銑削力達到加工要求，其轉(zhuǎn)動加工由電機帶動，因此需選擇合理的電機型號，下面對切削力進行計算并選型電機。

木材的切削力可通過單位切削力進行計算，公式[15-18]為：

式中：Fx——切削力，N；

p ——單位切削力，N/mm2；

a ——切削厚度，mm；

b ——切削寬度，mm。

其中切削厚度按1 mm計算，切削寬度即為木門厚度按60 mm計算，切削速度約為35 m/s，單位切削力未知，可按以下公式計算：

式中：Cp——刀具刃口鈍化系數(shù)；

kz、Az、Bz、Cz——實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析得出的系數(shù)，與樹種、切削角、 切削速度和切削方向等因素有關(guān)；

V——切削速度，m/s；

δ——刀具切削角，（°）。

通過查表確定各參數(shù)系數(shù)，Cp為1.3，kz為1.46 N/mm，Az為0.196 N/mm2，δ為35°，Bz為0.069 N/mm2，Cz為5.396 N/mm2，計算得p為7.157 N/mm2，計算得Fx為429.42 N，計算切削功率為：

切削功率為15 kW，因機床的傳動效率一般為0.75～0.85，則電機功率計算約為20 kW，考慮到加工環(huán)境，選取粉塵防爆電機型號YFB180M-2_IMB3,功率22 kW，轉(zhuǎn)速2 950 r/min，以皮帶傳動的方式為銑刀提供動力，通過改變皮帶傳動的傳動比進行提速，達到銑削要求。

3.2 側(cè)邊砂光設(shè)計

側(cè)邊砂光的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。根據(jù)陰刻木門的實際寬度，調(diào)整移動端位置，夾緊木門后在傳送帶的牽引下前進，通過不同粒度的窄砂帶砂光機完成陰刻木門兩側(cè)邊的粗砂精砂，為保證磨削加工的可靠性，下面對窄帶砂光機進行磨削力計算。

磨削受力圖如圖5 所示，氣缸提供壓力，壓塊壓緊砂帶，提供磨削所需的正壓力，F(xiàn)t為切向力，計算公式為[19-20]：

式中：Fn——氣缸提供正壓力，N；

Ft——切向力，N；

f ——磨削系數(shù)。

其中磨削系數(shù)?主要與砂布磨粒直徑、變鈍程度以及被加工件的性質(zhì)有關(guān)，可用經(jīng)驗公式求得：

式中：di——主要磨粒直徑，mm；

α1——樹種修正系數(shù)（樺木1，松木0.95，櫟木0.85）；

α2——磨粒變鈍系數(shù)（尖銳1.3，中等尖銳1，變鈍0.8）。

查詢磨粒粒度號及其尺寸表可知，粒度100 時磨粒尺寸150～125 μm，取最大值150 μm，di為0.15 mm，α1為0.95，α2為1.3，代入系數(shù)求得 f 為0.62。

選擇的窄帶式砂光機內(nèi)部下壓氣缸的工作壓力P為0.3 MPa，缸徑 d 為20 mm，因此由公式（6）求得Fn=94.2 N，由此求得Ft為58.4 N。

下面對窄帶砂光機的電機進行驗算選?。?/p>

式中：T——電機轉(zhuǎn)矩，Nm；

d1——主動輪直徑，mm。

其中主動輪直徑為184 mm，由公式（7）可計算得轉(zhuǎn)矩為5.4 Nm,選擇型號為1FL5 的伺服電機，扭矩為6 Nm。

圖5 受力分析Fig. 5 Force analysis

3.3 陰刻木門表面砂光

表面砂光結(jié)構(gòu)如圖6 所示。完成側(cè)砂的陰刻木門進入后首先進行定厚砂光，由于陰刻的花紋比較細小，選用盤型砂光機進行陰刻花紋和所有內(nèi)部凹陷邊角的砂光，之后的兩組砂架分別進行木門表面的粗砂精砂，為得到較好的表面砂光效果，對表面砂光的磨削力進行計算。

圖6 表面砂光Fig. 6 Surface sanding

接觸輥磨削的受力分析如圖7 所示。磨削過程中，在砂帶接觸區(qū)域作用的總磨削力可分為切向力（磨削力）Fm和法向力（正壓力）FN。法向力可以通過單位壓力pa求得：

式中：FN——法向力，N；

pa——磨削單位壓力，MPa，通常寬帶式砂光機pa=0.3～0.5 MPa， 取pa=0.4；

l ——磨削區(qū)砂帶與工件接觸長度，mm；

b1——磨削區(qū)砂帶與工件接觸寬度，mm，b1=800。

上述公式中的接觸長度 l，對于接觸輥來說，接觸弧長取決于輥的直徑d2及接觸輥的剛度 j，按下式計算：

式中：d2——接觸輥直徑，mm；

j ——接觸輥剛度。

對比同類產(chǎn)品取接觸輥直徑268 mm。接觸輥剛度取決于接觸輥覆蓋層的硬度，通常覆蓋層用橡膠，磨削時接觸輥覆蓋層的硬度為20～90，對應(yīng)的接觸輥剛度為10～40，取剛度值40，將式（9）帶入式（8）中，得到FN= 3 430.4 N。

磨削切向力計算可以由以下公式計算得出：

f 值可由公式（5）求出f=0.62，帶入式（10）中，求得Fm=2 126.85 N。

磨削功率Pc（kW）可由切向力求得：

帶入式（11）中取得Pc=31.9 kW，轉(zhuǎn)速可由以下公式求得：

式中：V1——砂削速度，m/s。

當砂削速度最大時，求得轉(zhuǎn)速n=1 425.99 ≈1 426 r/min，同時考慮電機功率損耗，由上面的計算選取型號為YFB225M-2_IMB3 粉塵防爆三相異步電動機，其功率為45 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 970 r/min。

圖7 受力分析Fig. 7 Force analysis

4 結(jié)論

通過分析砂光工藝和陰刻木門砂光機床的工作原理，確定了砂光機的布局及整機方案；然后分別進行切