基于數(shù)控加工技術(shù)的格肩榫改良設(shè)計研究*

湯 琳 關(guān)惠元

（ 1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學藝術(shù)設(shè)計學院,南京 210046; 2.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院,南京 210037）

榫卯是中式傳統(tǒng)家具主要的連接結(jié)構(gòu)，在中國家具發(fā)展歷程中具有不可替代的重要地位[1]。但傳統(tǒng)榫卯由匠人手工制作，其結(jié)構(gòu)特點不適宜現(xiàn)代數(shù)控加工，生產(chǎn)效率低下，制造成本高，不能滿足日益增長的市場需求[2-3]。

從20 世紀60 年代開始，伴隨木工機械的出現(xiàn)和在家具制造中的推廣應(yīng)用[4]，關(guān)于榫卯結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化改良的研究也陸續(xù)出現(xiàn)。有學者認為榫卯結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要，應(yīng)避免在家具制造中使用榫卯結(jié)構(gòu)[5]。還有一些學者積極研究榫卯結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計，如美國學者Eckelman[6-7]對方榫、橢圓榫、圓棒榫、螺釘連接等幾種簡單家具連接方式的接合強度進行比較研究。國內(nèi)周忠祥[8]針對傳統(tǒng)木框角部斜角榫結(jié)合方式，設(shè)計了4 種易于機械加工的結(jié)合形式。詹秀麗[9]等通過以3 個小圓棒榫取代單一方榫的形式，對挖煙袋鍋榫進行了結(jié)構(gòu)改造。薛坤[10]在其研究中結(jié)合燕尾榫、圓棒榫和磁性螺絲，從生產(chǎn)角度對粽角榫進行結(jié)構(gòu)改造?？傮w來說，針對榫卯改良設(shè)計的研究內(nèi)容比較分散，特別是關(guān)于中式傳統(tǒng)榫卯現(xiàn)代化改良的研究較少。

格肩榫是中式傳統(tǒng)家具榫卯特有形制之一，也是中式家具中使用最為頻繁的榫接合形式之一[11]。本文選取格肩榫，基于數(shù)控加工技術(shù)對其進行結(jié)構(gòu)改良，并對改良前后格肩榫的力學性能和加工效率進行比較，揭示格肩榫的承載機理，為其更合理的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)格肩榫結(jié)構(gòu)改良

1.1 傳統(tǒng)格肩榫結(jié)構(gòu)特點

格肩榫是中式傳統(tǒng)家具的典型視覺特征代表[12]，同一平面上橫材豎材均為方材的家具，多用此榫卯工藝。例如，椅凳類家具中橫棖與腿構(gòu)件的結(jié)合、柜類家具中柜身與柜門橫帶構(gòu)件的結(jié)合[13]中，都常用到格肩榫結(jié)構(gòu)。格肩榫裝配效果如圖1 所示：外觀上，三角格肩是其突出特點，45°格肩豐富了連接處家具表面線性的藝術(shù)變化[14]，可達到橫豎兩材紋理相契合的對應(yīng)效果；強度上，由于格肩榫較平肩直榫接合，摩擦面和膠著面增大，也增加了結(jié)構(gòu)連接的牢固性[15]。因此，在對格肩榫進行結(jié)構(gòu)改良時，其三角格肩的形式應(yīng)予以保留。

圖1 格肩榫裝配效果Fig.1 Assembly eあect of lattice shoulder tenon

1.2 數(shù)控加工特征

數(shù)控加工是在數(shù)控機床上進行零件加工的一種工藝方法，主要以數(shù)字信息控制零件與安裝在機床刀柄上的各式刀具做線性運動完成加工過程[16]。數(shù)控銑刀的圓柱造型決定了銑刀無法完成內(nèi)直角的銑削[17]。效率是數(shù)控加工追求的重要目標[18]，因而，數(shù)控加工應(yīng)盡可能少換刀且一次加工到位。數(shù)控加工特點總體可歸納為以下兩點：1）無法一次性徹底加工內(nèi)直角，內(nèi)直角轉(zhuǎn)折處會形成與銑刀刀徑大小一致的圓角；2）加工面須與主軸方向一致，如圖2 所示。

圖2 數(shù)控加工特點Fig.2 Characteristics of NC machining

生產(chǎn)方式影響相應(yīng)的接合方式，手工工具與現(xiàn)代數(shù)控機床的加工方式存在顯著區(qū)別。因此，為適應(yīng)數(shù)控生產(chǎn)，必須根據(jù)刀具運行特征對傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進行改造[19]。

1.3 基于數(shù)控加工技術(shù)的格肩榫改良

根據(jù)數(shù)控加工特點，結(jié)合傳統(tǒng)格肩榫結(jié)構(gòu)特征，提出一種傳統(tǒng)格肩榫結(jié)構(gòu)改良方案，見表1。改良前后的相同之處在于完全保留了三角格肩，因為這是格肩榫較直榫最大的外觀特征；為便于銑刀一步加工到位，將內(nèi)部連接的方榫改為橢圓榫。

表1 傳統(tǒng)格肩榫結(jié)構(gòu)改良方案Tab.1 Optimizing method of traditional lattice shoulder tenon

榫卯作為家具的結(jié)構(gòu)連接件必須具備足夠的結(jié)合強度，從而確保家具擁有足夠的強度與穩(wěn)定性。因此，須對改良后的格肩榫結(jié)構(gòu)強度進行科學計算與評估，保證格肩榫功能不受影響。下面以櫸木為材料，采用手工和機械加工相結(jié)合的形式及數(shù)控加工方式分別制作傳統(tǒng)和改良型格肩榫試件，對這兩種加工方式制備的格肩榫性能進行研究。

2 格肩榫改良結(jié)構(gòu)力學性能研究

2.1 材料與方法

2.1.1 材料

選取表面無明顯缺陷的櫸木(Fagus sylvatica)，含水率為12%左右，氣干密度約為0.7 g/cm3，表面無明顯缺陷。聚醋酸乙烯膠黏劑，固體含量為50%。

2.1.2 設(shè)備

力學試驗設(shè)備為日本島津AG-X萬能材料試驗機及自制輔助夾具。

加工改良型格肩榫的數(shù)控設(shè)備為蘇州銓木智能有限公司生產(chǎn)的FAM1414S五軸端面加工單元，該設(shè)備可同時裝夾4 把刀具，包括圓柱銑刀、端銑刀及方榫鉆等，加工精度為0.01 mm。

2.1.3 試件制作

選用表面無明顯缺陷的木材。將其鋸切成大小為長200 mm、寬50 mm、厚30 mm和長200 mm、寬400 mm、厚30 mm的試樣，材料長度方向與材料順紋方向一致。

1） 傳統(tǒng)格肩榫試件制作。

傳統(tǒng)格肩榫試件由有經(jīng)驗的木工，采用機械和手工加工相結(jié)合的方式制作完成。圖3 所示為傳統(tǒng)格肩榫試件的加工效果。

圖3 傳統(tǒng)格肩榫試件加工效果Fig.3 Machining eあect of traditional lattice shoulder tenon

圖4 所示為傳統(tǒng)格肩榫試件的尺寸圖，尺寸均選用家具生產(chǎn)中常見尺寸，其中榫頭長、寬、厚分別為30、27.30 mm和8.20 mm。參考實木家具裝配要求，經(jīng)預(yù)組裝試驗，并結(jié)合文獻[20]，直榫榫頭與榫眼的配合量取榫頭長度方向-2 mm，榫頭寬度方向+0.3 mm，榫頭厚度方向0 mm，三角格肩的厚度為6 mm。制作 6 組相同試件。

2）改良格肩榫試件制作。

改良型格肩榫試件的加工程序由UG軟件生成并后處理完成。改良格肩榫試件加工效果如圖5 所示，尺寸如圖6 所示。其中榫頭長、寬、厚分別為30、30.30、8.20 mm，直榫榫頭與榫眼的配合量取榫頭長度方向-2 mm，榫頭寬度方向+0.3 mm，榫頭厚度方向0 mm，三角格肩厚度為6 mm，以保證改良后的格肩榫結(jié)合面積與傳統(tǒng)格肩榫的結(jié)合面積基本一致。

圖4 傳統(tǒng)格肩榫試件尺寸圖 Fig.4 Dimension diagram of tradition lattice shoulder tenon

圖5 改良型格肩榫試件的加工效果Fig.5 Machining eあect of modified lattice shoulder tenon

圖6 改良格肩榫各構(gòu)件尺寸圖 Fig.6 Dimension diagram of modified lattice shoulder tenon

2.1.4 力學性能測試

格肩榫多用于家具板面框架結(jié)合處[21]，常見榫頭從榫眼中脫落的破壞情況。本研究對改良前后的格肩榫試件進行抗彎和抗拉強度對比測試。傳統(tǒng)與改良格肩榫試件均分為2 組，每組各6 個，總計24 個。圖7 所示為格肩榫的抗彎強度測試，P表示對試件施加的垂直向下的靜載荷，加壓點距離結(jié)合點頂端距離為140 mm。垂直載荷P勻速加載，速度為5 mm/min，直至格肩榫完全脫落。圖8 所示為格肩榫抗拔強度測試，P表示對試件施加的靜載荷，同樣以5 mm/min勻速加載，直至格肩榫榫頭完全被拔出榫眼。

圖7 格肩榫彎曲強度測試方法Fig.7 Bending strength test method of lattice shoulder tenon

圖8 格肩榫抗拔強度測試方法Fig.8 Tensile strength test method of lattice shoulder tenon

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 格肩榫抗彎強度測試結(jié)果

圖9 所示為格肩榫傳統(tǒng)與改良兩種結(jié)構(gòu)的抗彎強度測試結(jié)果。由圖可知，傳統(tǒng)格肩榫的平均抗彎力為 1 083.9 N；改良格肩榫的平均抗彎力為1 293.3 N。通過對比可知，改良后的格肩榫抗彎強度比傳統(tǒng)格肩榫上升了19.3%，且抗彎性能較傳統(tǒng)格肩榫更為穩(wěn)定。這是由于改良型的格肩榫由數(shù)控設(shè)備加工完成，尺寸精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定，而傳統(tǒng)格肩榫不可避免地會因為手工加工方式導致尺寸和加工質(zhì)量的不穩(wěn)定，進而影響公差配合度和膠合效果。

圖9 兩種格肩榫抗彎強度測試結(jié)果Fig.9 Bending strength test results of lattice shoulder tenons

圖10 所示為兩種格肩榫受壓破壞情況，兩種格肩榫的破壞情況較為相似，榫頭被從榫眼中拉出，榫頭上半部分遭到破壞，榫頭和榫眼的上半部分纖維被拉出，榫頭材料下側(cè)榫肩與榫眼材料榫肩缺口下半部分產(chǎn)生了明顯的擠壓變形。圖10b所示為改良型格肩榫受壓破壞情況，由于其加工精度更高，過盈配合效果更好，受到的極限壓力更大，因而榫頭榫眼擠壓產(chǎn)生的變形會更為顯著。Podskarbi等研究認為榫肩對于節(jié)點的彎矩強度有顯著影響[22]，格肩榫榫頭兩側(cè)均有榫肩，45°的榫肩傳遞了部分固定端彎矩，起到降低中間榫頭受壓變形的作用。45°的榫肩還對結(jié)構(gòu)起到約束效果，榫頭不易在壓力作用下從榫眼滑出[23]。

圖10 兩種格肩榫受壓破壞情況Fig.10 Pressing failure models of lattice shoulder tenons

2.2.2 格肩榫抗拔強度測試結(jié)果

圖11 所示為格肩榫傳統(tǒng)與改良兩種結(jié)構(gòu)的抗拔強度測試結(jié)果。由圖可知，傳統(tǒng)格肩榫的平均抗拔力為6 093.2 N，改良格肩榫平均抗拔力為7 129.7 N。通過對比可知，改良后的格肩榫抗拔強度比傳統(tǒng)格肩榫上升了17%。此外，通過對比，格肩榫的抗拔強度顯著高于其自身的抗彎強度。

圖12a所示為傳統(tǒng)格肩榫受拉破壞情況，傳統(tǒng)格肩榫榫頭無明顯破壞，榫眼端面有纖維破壞的情況；圖12b所示為改良型格肩榫受拉破壞情況，其中榫頭無明顯破壞，但存在榫眼端面發(fā)生材料撕裂的情況。產(chǎn)生這種情況的原因主要有兩點，一是榫肩與榫眼端面接觸面也涂抹了膠黏劑，因而在拉動榫頭的過程中，會造成榫眼端面材料的撕扯破壞；二是數(shù)控加工完成的改良格肩榫尺寸更精確，榫頭過盈配合效果更顯著，也會加劇榫眼端面材料的破壞程度。

圖11 兩種格肩榫抗拔強度測試結(jié)果Fig.11 Tensile strength of lattice shoulder tenons

圖12 兩種格肩榫受壓破壞情況Fig.12 Pressing failure models of lattice shoulder tenons

3 格肩榫改良結(jié)構(gòu)的加工效率

工時研究的一般方法包括直接測量法、間接推算法和累計法[24-25]。本研究采用直接測量法，通過現(xiàn)場直接計時，確定各類型榫卯的加工用時。改良前和改良后的格肩榫加工效率如圖13 所示，其中A、B分別表示帶榫頭的零件、帶榫眼的零件（見圖1）。由圖13 可知，改良型格肩榫的加工效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工加工，加工效率（其中包括上下料、機械回原點、加載加工程序，共17s）較傳統(tǒng)形式提高了282.4%。其中，改良后的零件A用時比傳統(tǒng)手工提高了240.9%，零件B用時比傳統(tǒng)手工提高了326.8%。

圖13 兩種格肩榫加工用時對比 Fig. 13 The processing time of traditional and modified lattice shoulder tenons

4 結(jié)論

本研究選取格肩榫這一中式傳統(tǒng)家具特有的榫卯形式，分析并總結(jié)了格肩榫的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)控加工技術(shù)特點，在保留其原有結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)格肩榫進行了改良設(shè)計。分別采用傳統(tǒng)機械與手工相結(jié)合的加工方式、UG編程、五軸端面數(shù)控機床加工方式，制造出傳統(tǒng)與改良格肩榫試件。通過對比兩組試件的力學強度和加工效率，得出以下結(jié)論：

1）當接合面積相同時，改良后的格肩榫極限抗彎強度較改良前提高了19.3 %，且由于改良后的格肩榫采用數(shù)控加工，試件尺寸精確度更高，其抗彎強度也更穩(wěn)定；改良后的格肩榫抗拔強度比改良前提高了17 %，且格肩榫的抗拔強度顯著高于其自身的抗彎強度。

2）改良后的格肩榫加工效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手工加工，加工效率較傳統(tǒng)形式提高了282.4 %，極大地縮短了加工時間。且機床一次裝夾即可完成加工，加工后即可裝配完成，大大節(jié)約了人力成本。

本研究僅對中式榫卯代表之一的格肩榫進行了改良設(shè)計研究，還有很多中式傳統(tǒng)家具榫型，同樣亟待解決數(shù)控加工難題。本研究提出的榫卯改良方法、力學試驗與加工效率結(jié)合的研究方法，可為研究其他榫卯改良設(shè)計、評價榫卯改良效果提供借鑒，以更好地指導實際生產(chǎn)。