膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

林志偉 林明山

（1.閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000； 2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，漳州 363000）

膠合板是由原木經(jīng)旋切機(jī)旋切成單板，然后將其縱橫疊放,經(jīng)拼接粘合、壓制、裁邊等工序制造而成[1-2]。在生產(chǎn)過程中，因單板存在裂縫、死結(jié)、漏洞等缺陷[3]，且拼接過程易產(chǎn)生縫隙，因此由多層單板壓制并裁邊后的膠合板側(cè)面常會(huì)出現(xiàn)孔洞或縫隙?？锥粗睆酵ǔ?～3 mm，縫隙長度可達(dá)8 mm。為提高膠合板的使用性能和防水性能，在砂光工序之前，通常需使用膩?zhàn)有扪a(bǔ)膠合板側(cè)面孔隙。傳統(tǒng)的膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)方法，是先將數(shù)十塊膠合板四邊堆疊整齊，借助壓機(jī)壓緊膠合板后，人工操作刮刀在四個(gè)側(cè)面往復(fù)涂刮膩?zhàn)?。該方法消耗人力物力過多，且孔隙填補(bǔ)有缺漏，側(cè)面膩?zhàn)雍穸却蟆⒉痪鶆?，膠合板在砂光工序會(huì)產(chǎn)生較多膩?zhàn)臃蹓m，不利于環(huán)保[4]。因此，急需該方面的新工藝及相應(yīng)的自動(dòng)化裝備，以提高膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)效率與質(zhì)量，完善膠合板生產(chǎn)自動(dòng)化的工業(yè)體系[5-8]。

圖1 膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)三維圖Fig. 1 Putty repair machine for plywood sides

根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)數(shù)次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種膠合板側(cè)面膩?zhàn)幼詣?dòng)化修補(bǔ)機(jī)，如圖1 所示。該機(jī)器包括三個(gè)系統(tǒng)：1)膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)，將料斗中的膩?zhàn)訑D出并附著在傳送中的膠合板側(cè)面；2)雙擺動(dòng)刮膩?zhàn)酉到y(tǒng)，將附著于板側(cè)面的膩?zhàn)犹畛渲量紫吨胁⒐纬嘤嗄佔(zhàn)樱?)表板膩?zhàn)訑R擋系統(tǒng)，去除板側(cè)面溢向表板邊緣的膩?zhàn)?。在膠合板雙側(cè)沿著板材傳送方向依次布置上述三個(gè)系統(tǒng)，完成膠合板雙側(cè)面的膩?zhàn)有扪a(bǔ)。

1 膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

膩?zhàn)泳哂幸坠瓮?、能自干、干燥收縮率低等特點(diǎn)，適用于板材孔隙填塞，但因其黏性較大，且失水后易干硬堵塞管道，需較大的擠出力并保持持續(xù)推進(jìn)才能滿足供料需求。因此，設(shè)計(jì)合理可靠的膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)，是保證該修補(bǔ)機(jī)滿足生產(chǎn)需要的關(guān)鍵。圖2是根據(jù)膩?zhàn)犹攸c(diǎn)及生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)的膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括擠出頭1、延伸管2、回流裝置3和出料口4。擠出頭采用單螺旋推進(jìn)[9]的方式將膩?zhàn)訑D出，回流裝置用以確保膩?zhàn)油磕ú僮鲿和：蛷?fù)位時(shí)膩?zhàn)訑D出的時(shí)效性。

圖2 膩?zhàn)訑D出系統(tǒng)Fig. 2 Putty extrusion system

1.1 擠出螺桿設(shè)計(jì)

圖3 膩?zhàn)訑D出頭的主要部件為擠出螺桿。螺桿參數(shù)設(shè)計(jì)：先依據(jù)膩?zhàn)游⒃袘?yīng)力計(jì)算螺桿中徑處的平均螺旋升角λm，然后結(jié)合擠出腔室的徑向尺寸選定螺桿中徑，最后確定螺桿的螺距H。螺桿幾何參數(shù)計(jì)算公式為：

式中：D —— 螺桿外緣直徑，mm；

d —— 螺桿根部直徑，mm；

Dm—— 螺桿中徑，mm。

取螺桿中徑處膩?zhàn)游⒃那袘?yīng)力τm為計(jì)算切應(yīng)力：

式中：δ ——膩?zhàn)优c螺桿工作表面的摩擦角,（°）；

P ——膩?zhàn)拥臄D壓應(yīng)力，MPa。

膩?zhàn)幽茼樦輻U旋向流動(dòng)的條件為：

式（3）中，τ0為膩?zhàn)拥臉O限切應(yīng)力（MPa），將（2）代入（3）得：

由（4）可知，螺桿的平均螺旋升角λm若取值太小，將無法推動(dòng)膩?zhàn)恿鲃?dòng)。若λm取值過大，特別當(dāng)λm=90°時(shí)，螺桿葉片平行于軸線，切應(yīng)力方向垂直軸線，膩?zhàn)觾H有垂直于軸線的相互擠壓，不會(huì)產(chǎn)生沿著軸向的擠壓應(yīng)力。研究表明，螺旋角在20°～25°為合適范圍[10]，結(jié)合生產(chǎn)試驗(yàn)選取λm=22°。

由流量擠出公式[11]：

式中：β ——螺桿綜合影響系數(shù)，取0.002；

n ——螺桿轉(zhuǎn)速，取120 r/min；

Q ——擠出頭膩?zhàn)恿髁?，?0 kg/h。

確定螺桿外徑D =76 mm，取根部直徑d=30 mm。將λm、 D和d代入式（1）計(jì)算出擠出螺桿螺距H=67 mm。

由于修補(bǔ)孔隙的膩?zhàn)佑苫A(chǔ)料、填料和水等攪拌而成，攪拌過程中膩?zhàn)觾?nèi)部或表面會(huì)產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致膩?zhàn)硬牧喜痪鶆蛑旅苡锌昭?。為解決這個(gè)問題，將擠出螺桿設(shè)計(jì)成如圖3 所示的兩段[12-13]，前段為大螺距的送料段（H=67 mm），便于落料和送料；后段為小螺距的壓縮段（H=40 mm），壓縮膩?zhàn)拥目臻g，使內(nèi)壓變大，空穴破壞。最后，在擠出頭出料口裝配錐形縮口[14]，進(jìn)一步提高擠出膩?zhàn)拥闹旅苄浴?/p>

圖3 擠出頭Fig. 3 Extruder

1.2 擠出螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定

若膩?zhàn)訉友芈輻U切向方向的相對(duì)速度為Vr(ρ)（r≤ρ≤R），其中r、R和ρ分別表示螺桿根部半徑、外緣半徑和根部與外緣之間的任意半徑。由于Vr(ρ)沿著徑向方向從螺桿的外緣至根部非線性遞減，靠近軸線最內(nèi)層的膩?zhàn)诱掣皆诼輻U根部并隨螺桿同步旋轉(zhuǎn)，即Vr(r)=0。因此，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加時(shí)，螺桿外緣處膩?zhàn)忧邢蛳鄬?duì)速度Vr(R)也會(huì)隨之增加，而螺桿根部膩?zhàn)酉鄬?duì)速度Vr(r)依然為0，膩?zhàn)訉又g將加快相對(duì)運(yùn)動(dòng)，層與層之間的摩擦加劇，形成溫度梯度，最外層膩?zhàn)尤菀赘捎步Y(jié)塊，導(dǎo)致腔室、出料口和管道等堵塞，造成電機(jī)過載。試驗(yàn)中，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過150 r/min時(shí)，擠出的膩?zhàn)娱_始形成小硬塊，且擠出膩?zhàn)拥募铀俣入S著螺桿轉(zhuǎn)速的遞增緩慢上升。

由公式（2）可知，計(jì)算切應(yīng)力τm與螺桿工作表面的摩擦角δ相關(guān)，摩擦角取值由膩?zhàn)拥念w粒程度、含水量和成分配比等參數(shù)決定。因此，不同批次、不同攪拌程度的膩?zhàn)?，其?jì)算切應(yīng)力τm大小也不相同，其對(duì)應(yīng)膩?zhàn)幽茼樦輻U旋向流動(dòng)的最低螺桿轉(zhuǎn)速也有所差異。

考慮上述兩個(gè)因素，必須根據(jù)膩?zhàn)有螒B(tài)和性能實(shí)時(shí)調(diào)整擠出頭的螺桿轉(zhuǎn)速，以保證膩?zhàn)拥臄D出速度和膠合板的傳輸速度相匹配，為擠出頭電機(jī)加裝變頻器以控制擠出螺桿的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際試驗(yàn)中，根據(jù)膠合板傳輸速度為0.3～0.5 m/s的生產(chǎn)條件，得出螺桿轉(zhuǎn)速在100～120 r/min范圍內(nèi)的膩?zhàn)訑D出速度為最佳值。

1.3 回流裝置設(shè)計(jì)

膠合板在傳送帶輸送下持續(xù)進(jìn)給，板側(cè)面黏附出料口的膩?zhàn)?。由于相鄰板材之間有隔斷，在無板通過或者傳送帶暫停送板時(shí)需要暫停膩?zhàn)拥臄D出。若使用閥門關(guān)閉擠出頭出料口，螺桿的旋轉(zhuǎn)將持續(xù)推進(jìn)膩?zhàn)?，閥門內(nèi)側(cè)壓力上升。當(dāng)板復(fù)位時(shí)，閥門打開，過大的內(nèi)壓使得膩?zhàn)铀查g以噴射狀擠出，過多的膩?zhàn)右约斑^大的噴射角將使膩?zhàn)泳奂谀z合板表面，嚴(yán)重影響后續(xù)工藝。若以電機(jī)啟停的方法控制螺桿啟停，由于膩?zhàn)拥恼硿院碗姍C(jī)啟動(dòng)的延遲性，將影響膩?zhàn)訑D出的時(shí)效性。當(dāng)板復(fù)位時(shí)，無法及時(shí)將膩?zhàn)訑D出，膠合板的前端有部分無涂抹膩?zhàn)樱⑶译姍C(jī)的反復(fù)啟停也將導(dǎo)致其過分發(fā)熱。

圖4 回流裝置Fig. 4 Reflow device

針對(duì)上述情況，本研究設(shè)計(jì)了圖4 所示的膩?zhàn)踊亓餮b置。在螺桿不停轉(zhuǎn)時(shí)，借用旁路管道3 將無板材通過時(shí)擠出的膩?zhàn)踊亓鞯綌D出腔室內(nèi)。在螺桿擠出頭錐形縮口處連接橡膠延伸管2，管末端接三通T型[15-16]球閥1，通過換向電磁閥4 控制及傳感器的配合完成擠出膩?zhàn)拥耐ǖ狼袚Q。經(jīng)試驗(yàn)，該回流裝置能夠較好保證擠出膩?zhàn)拥臅r(shí)效性，膩?zhàn)拥膹?fù)通和中斷響應(yīng)時(shí)間均在0.2 s范圍內(nèi)。

2 其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙擺動(dòng)刮膩?zhàn)酉到y(tǒng)

圖5 雙擺動(dòng)刮膩?zhàn)酉到y(tǒng)Fig. 5 Double swinging putty blow system

人工修補(bǔ)膠合板側(cè)面的方法是使用刮刀以一定角度緊貼側(cè)面后，沿著板邊移動(dòng)刮刀，將涂抹于側(cè)面的膩?zhàn)訅喝肟紫兜耐瑫r(shí)刮除多余膩?zhàn)?。圖5 是模擬手工修補(bǔ)設(shè)計(jì)的一種雙擺動(dòng)刮膩?zhàn)酉到y(tǒng)[17-20]。當(dāng)膠合板由于設(shè)備安裝誤差，零件加工誤差和裁邊誤差等因素而出現(xiàn)了一定程度的側(cè)面傾斜時(shí)，該系統(tǒng)能保證刮片依然以一定角度緊貼膠合板側(cè)面，隨著膠合板的移動(dòng)，完成板側(cè)面膩?zhàn)拥目紫短钊投嘤嗄佔(zhàn)拥墓纬?。系統(tǒng)中主擺塊4 和次擺塊6 的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸互相垂直，膠合板擠壓刮片7 時(shí)，推動(dòng)主擺塊偏擺一定角度，主彈簧5 被壓縮，傳遞壓力至次擺塊6，次擺塊按照板側(cè)面的傾斜姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整擺角，刮片在主彈簧[21]的擠壓下緊貼板側(cè)面。當(dāng)板規(guī)格變化時(shí)，調(diào)整升降座3 和伸縮座2 的位置，以適應(yīng)不同厚度和寬度板材的側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)。

2.2 表板膩?zhàn)訑R擋系統(tǒng)

膠合板在膩?zhàn)有扪a(bǔ)過程中，由于圖5 中的刮片7 和膠合板側(cè)面緊密貼合，隨著膠合板的移動(dòng)，部分膩?zhàn)訉⒈粩D壓至表板（面板與背板）邊緣。為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)出如圖6 所示的表板膩?zhàn)訑R擋系統(tǒng)[22-25]。該系統(tǒng)包括安裝于膠合板雙側(cè)的對(duì)稱貼合機(jī)構(gòu)和對(duì)稱壓緊機(jī)構(gòu)。圖6a中的上基座2 與下基座1 上，分別安裝一套上下對(duì)稱的貼合機(jī)構(gòu)；主擺塊4 和次擺塊6 的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸互相垂直。隨著膠合板的移動(dòng)，對(duì)稱刮片被頂開并分別貼合于面板與背板，主擺塊產(chǎn)生一定擺角，壓緊表板，膩?zhàn)颖粩R擋于刮片上。圖6b為對(duì)稱壓輪機(jī)構(gòu)，解決膠合板單側(cè)跳動(dòng)或縱向翹曲時(shí)，圖6a對(duì)稱貼合機(jī)構(gòu)刮片無法同時(shí)貼合表板的問題。刮片刃緣相對(duì)壓輪的中垂線沿膠合板進(jìn)給方向偏置距離S。膠合板沿圖中方向進(jìn)給時(shí)先頂開壓輪，隨后被壓緊呈水平。刮片自由狀態(tài)下的刃緣比壓輪邊緣更靠近表板，保證膠合板頂開壓輪后碰觸刮片，貼合刃緣。

圖6 表板膩?zhàn)訑R擋系統(tǒng)Fig. 6 Outer ply putty blocking system

3 應(yīng)用案例簡析

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和參數(shù)，運(yùn)用CAD數(shù)字化設(shè)計(jì)及仿真模擬優(yōu)化后制造出樣機(jī)，并為其配置傳送帶、電氣控制系統(tǒng)和相關(guān)部件，在某木業(yè)公司進(jìn)行試用。表1為幅面尺寸2 440 mm ×1 220 mm，厚度規(guī)格15 mm膠合板人工修補(bǔ)與機(jī)器修補(bǔ)對(duì)比情況，應(yīng)用結(jié)果表明：膩?zhàn)訖C(jī)修補(bǔ)后的膠合板側(cè)面無孔隙殘留，膩?zhàn)雍穸染鶆颍畲蠛穸葹?.2 mm，修補(bǔ)速度為雙側(cè)0.4 m/s。而手工修補(bǔ)存在20%～30%的孔隙殘留，側(cè)面膩?zhàn)雍穸仍?.6～1.2 mm范圍浮動(dòng)，修補(bǔ)速度為單側(cè)0.2 m/s。本研究設(shè)計(jì)的膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)的修補(bǔ)質(zhì)量優(yōu)，修補(bǔ)速度比人工修補(bǔ)提升300%以上，符合企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化需求。

表1 手工修補(bǔ)對(duì)比機(jī)器修補(bǔ)Tab. 1 Comparison between manual repair and machine repair

4 結(jié)論

針對(duì)手工方式膩?zhàn)有扪a(bǔ)膠合板側(cè)面孔隙效率低、質(zhì)量差等問題，設(shè)計(jì)了一種膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)：1）根據(jù)膩?zhàn)有阅芎凸r設(shè)計(jì)了擠出系統(tǒng)的螺桿參數(shù)、螺桿轉(zhuǎn)速和回流裝置，匹配膠合板自動(dòng)化傳送，實(shí)現(xiàn)膩?zhàn)拥臄D出與側(cè)面附著；2）仿照手工操作刮刀的貼合方式，設(shè)計(jì)雙擺動(dòng)刮膩?zhàn)酉到y(tǒng)和表板膩?zhàn)訑R擋系統(tǒng)，在膠合板傳送過程中完成側(cè)面膩?zhàn)拥男扪a(bǔ)和表板膩?zhàn)拥墓纬?/p>

在木業(yè)企業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明：該膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)具有修補(bǔ)質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，可移植性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，適合在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。