數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

楊春梅，王 成，楊 碩，夏 鵬

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

我國(guó)的森林資源相對(duì)匱乏，當(dāng)前的木材原料供應(yīng)結(jié)構(gòu)也從傳統(tǒng)的天然林、大徑級(jí)木材轉(zhuǎn)移到人工速生林、小徑級(jí)木材，這種情況正嚴(yán)重制約著我國(guó)林產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展[1-2]。小徑材資源豐富，但大部分得不到合理利用，因此如何合理利用開(kāi)發(fā)小徑材，提高小徑材的出材率和產(chǎn)品附加值，已然成為林木行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前小徑材的利用主要是將其制成指接板[3-5]，制材過(guò)程中，小徑材指接開(kāi)榫是其生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指榫加工的質(zhì)量直接關(guān)系到指接拼板的拼裝，使用強(qiáng)度及其質(zhì)量[6]。市場(chǎng)上的指接機(jī)種類(lèi)繁多，但是只能在標(biāo)準(zhǔn)的平面上進(jìn)行指接開(kāi)榫[7-10]，加工精度低，并且其出材率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于弧面指接開(kāi)榫。數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)旨在合理、有效利用小徑材，提高小徑材的出材率以及加工精度，因此，其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是尤為重要的。

1 數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)是利用人工林小徑材來(lái)生產(chǎn)利于加工成家具裝修板材的專(zhuān)用設(shè)備，為小徑材指榫加工的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)⒔?jīng)過(guò)剖分的縱向截面為弧面的小徑材板直接銑出指榫，用于拼接成板材，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由固定端總成、移動(dòng)端總成和底架總成構(gòu)成。

注：1.固定端總成；2.移動(dòng)端總成；3.底架總成。

注：1.固定端支架；2.上壓輥總成；3.下壓輥總成；4.成形銑主軸組件一；5.粗銑主軸組件一；6.精銑主軸組件一；7.拋光主軸組件一；8.固定端張緊總成；9.固定端側(cè)壓止逆總成。

固定端總成結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由固定端支架、上壓輥總成、下壓輥總成、成形銑主軸組件一、粗銑主軸組件一、精銑主軸組件一、拋光主軸組件一、固定端張緊總成及固定端側(cè)壓止逆總成構(gòu)成。移動(dòng)端總成主要由移動(dòng)端支架、成形銑主軸組件二、粗銑主軸組件二、精銑主軸組件二、拋光主軸組件二、移動(dòng)端張緊總成以及移動(dòng)端側(cè)壓止逆總成構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)的工作原理是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、各銑削機(jī)構(gòu)以及拋光機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)剖分的縱向截面為弧面的小徑材板在上下壓輥的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入銑削部分，板材首先經(jīng)過(guò)成形銑機(jī)構(gòu)進(jìn)行去皮銑形，兩側(cè)銑出符合指接要求的規(guī)則弧面，并以該弧面為基準(zhǔn)進(jìn)入下一工序；板材繼續(xù)向前進(jìn)給，分別完成齒形粗銑、齒形精銑以及齒形拋光的工序，從而得到符合指接要求的指接齒形；當(dāng)拋光完成時(shí)，整個(gè)板材的加工完成，板材在出料口出料，進(jìn)入下一設(shè)備進(jìn)行鋪裝拼板。該設(shè)備具有的性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

注：1.移動(dòng)端支架；2.成形銑主軸組件二；3.粗銑主軸組件二；4.精銑主軸組件二；5.拋光主軸組件二；6.移動(dòng)端張緊總成；7.移動(dòng)端側(cè)壓止逆總成。

表1 數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)性能設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 粗銑主軸組件設(shè)計(jì)

2.1.1 粗銑主軸組件的參數(shù)設(shè)計(jì) 銑削力和銑削功率的計(jì)算關(guān)系到設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)設(shè)備的銑削性能有著重要影響。小徑材板的指榫加工是通過(guò)粗銑主軸組件和精銑主軸組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于銑削過(guò)程中粗銑主軸組件的銑削力遠(yuǎn)比精銑主軸組件的大，所以只需計(jì)算粗銑時(shí)所需要的銑削力及銑削功率便能滿(mǎn)足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。

銑削力可通過(guò)單位切削力計(jì)算，因此，計(jì)算銑削力的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上歸結(jié)為計(jì)算單位切削力的問(wèn)題。以下計(jì)算均以松木為例，粗銑主軸組件的單位切削力K可按下式計(jì)算：

(1)

式中，q為切屑的直線的斜率；aq為q的修正系數(shù)；aw為含水率修正系數(shù)；H為切屑的直線的截距(mm)；ak為H的修正系數(shù)；èp為運(yùn)動(dòng)遇角(°)；ìz為每齒進(jìn)給量(mm)。

已知：切屑的直線的斜率為q=3.8，q的修正系數(shù)為aq=1.0，松木的含水率為15%，含水率修正系數(shù)為aw=1.0，切屑的直線的截距為H=0.4，H的修正系數(shù)為ak=1.0。式(1)中運(yùn)動(dòng)遇角èp以及每齒進(jìn)給量ìz是未知的，可按下式計(jì)算：

1)運(yùn)動(dòng)遇角èp：

(2)

式中，hx為銑削深度(mm)；D為銑刀直徑(mm)。

已知：銑削深度為hx=10 mm，銑刀直徑為D=220 mm。代入式(2)，可得sinèp=0.2，èp=11.54°。

2)每齒進(jìn)給量ìz：

(3)

式中，vμ為銑刀進(jìn)給速度；Z為銑刀齒數(shù)；n為銑刀轉(zhuǎn)速。

已知：銑刀進(jìn)給速度為vμ=10 m/min，銑刀齒數(shù)為Z=6，銑刀轉(zhuǎn)速為n=4 000 r/min。代入式(3)，可得ìz=0.42 mm。

將1)、2)計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)遇角èp及每齒進(jìn)給量ìz的值代入式(1)，可得銑刀所受的單位切削力為K= 83.967 MPa。

粗銑主軸組件的銑削功率P可按下式計(jì)算：

(4)

式中，V0為單位時(shí)間內(nèi)切下的切屑體積(cm3/s)；K為單位切削力(MPa)。

經(jīng)計(jì)算，單位切削力K=83.967MPa；單位時(shí)間內(nèi)切下的切屑體積V0是未知的，可按下式計(jì)算：

V0(cm3/s)=ubhx

(5)

式中，u為進(jìn)給速度(m/s)；b為銑削寬度(mm)；hx為銑削深度(mm)。

已知：銑刀進(jìn)給速度vμ=10 m/min，經(jīng)換算得銑刀進(jìn)給速度為u=0.167 m/s，銑削寬度為b=10 mm，銑削深度為hx=10 mm。代入式(5)，可得單位時(shí)間內(nèi)切下的切屑體積為V0=16.7 cm3/s；代入式(4)，可得銑削功率為P=1.402 kW。

2.1.2 粗銑主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)的銑削過(guò)程分為粗銑和精銑2部分，粗銑的過(guò)程是對(duì)指榫進(jìn)行粗加工，使指榫基本成形，由于粗銑對(duì)加工精度的要求比較低，所以在粗銑的過(guò)程中設(shè)計(jì)選用逆銑的加工方式，這樣可以有效提高刀具的使用壽命。粗銑主軸銑削電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，通過(guò)匹配2個(gè)直徑比為4∶3的帶輪，達(dá)到增速的目的，從而實(shí)現(xiàn)粗銑主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)選用2根V帶傳遞動(dòng)力，具有一定的過(guò)載保護(hù)能力，并且能夠減小振動(dòng)、緩和沖擊。粗銑主軸組件主要由六角鎖緊螺母、粗銑主軸、組合式粗銑刀、套筒、端蓋、角接觸球軸承、帶輪、六角頭螺栓、螺栓緊固軸端擋圈等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：1.六角鎖緊螺母；2.組合式粗銑刀；3.端蓋；4.氈圈；5.角接觸球軸承；6.粗銑主軸；7.墊片；8.套筒；9.帶輪；10.六角頭螺栓；11.彈性墊圈；12.螺栓緊固軸端擋圈；13.平鍵。

粗銑過(guò)程中銑刀加工量大，容易產(chǎn)生振動(dòng)，粗銑主軸會(huì)受到一定的軸向力，為了保證粗銑過(guò)程中粗銑主軸正常完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選用兩對(duì)角接觸球軸承對(duì)粗銑主軸進(jìn)行支承。選取的角接觸球軸承型號(hào)為7209AC，經(jīng)校核計(jì)算，所選型號(hào)的角接觸球軸承滿(mǎn)足粗銑主軸的工作要求。為了保證軸承潤(rùn)滑良好，防止外界水分、灰塵等進(jìn)入，在套筒和端蓋之間采用氈圈進(jìn)行密封。V帶在傳遞動(dòng)力的過(guò)程中，由于初拉力的影響，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象，因此粗銑主軸銑削電機(jī)需要采取一定的張緊措施。

2.2 拋光主軸組件設(shè)計(jì)

2.2.1 拋光主軸組件的參數(shù)設(shè)計(jì) 小徑材板在使用拋光輪拋光的過(guò)程中，上下左右4個(gè)面都有壓輥對(duì)其限位，拋光過(guò)程中的受力情況如圖5所示。拋光輪對(duì)板材的作用力為拋光條端部的一個(gè)切削力Ff和法向力FN[11]。刷式拋光輪通過(guò)拋光條的端部對(duì)板材進(jìn)行拋光，拋光條背面有比其短的劍麻纖維，起到一定的支撐作用。拋光時(shí)，劍麻纖維受力變形，加大拋光條與板材的接觸面積，起到拋光作用。相鄰拋光條均受到平面作用而處于彎曲狀態(tài)，且相互之間有一定間隔，不存在相互擠壓。

圖5 拋光受力

單個(gè)拋光條對(duì)板材的切削力Ff可按下式計(jì)算：

Ff=FN·fm

(6)

式中，F(xiàn)N為法向力(N)；fm磨削系數(shù)。

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)，可按下式計(jì)算：

(7)

式中，di為主要磨粒的直徑(mm)；Ks為樹(shù)種修正系數(shù)；Kρ磨粒變鈍修正系數(shù)，尖銳：Kρ=1.3；中等尖銳：Kρ=1；鈍：Kρ=0.8。

已知最大法向壓力為FN=2.5N；粗磨磨粒的粒度為46～80，精磨磨粒的粒度在80以上，取中間值為80，查閱磨粒粒度及顆粒尺寸表可知，對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸為160～200 μm，取中間值為180 μm，即di=0.18 mm；松木的樹(shù)種修正系數(shù)為Ks=0.95；砂布磨粒變鈍系數(shù)，取尖銳：Kρ=1.3。代入式(7)，可得磨削系數(shù)為fm=0.624。把得到的磨削系數(shù)fm=0.624代入式(6)，可得單個(gè)拋光條對(duì)板材的切削力為Ff=1.56 N。

刷式拋光輪在實(shí)際工作過(guò)程中與板材接觸的拋光條數(shù)量不止一條，其數(shù)量與拋光輪中心到板材表面的距離H有關(guān)。所選用的拋光輪直徑為240 mm，毛刷長(zhǎng)度為90 mm，其中心到板材表面的距離為105 mm，工作時(shí)，有7個(gè)砂光條與板材接觸，因此刷式拋光輪工作時(shí)對(duì)板材的切削力為：

F=7×Ff=7×1.56=10.92 N

拋光輪在V帶的驅(qū)動(dòng)下對(duì)板材的2個(gè)側(cè)面進(jìn)行拋光，由于切削力小，所以采用由1個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)精銑主軸組件和拋光主軸組件的結(jié)構(gòu)，這樣既能夠減少電機(jī)的使用數(shù)量，提高電機(jī)的利用效率，又可以縮小設(shè)備的整體尺寸，降低設(shè)備的制造成本，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

精銑時(shí)的銑削深度b=1 mm，精銑刀與粗銑刀的銑刀直徑相同，都為D=220 mm，代入式(2)，可得運(yùn)動(dòng)遇角èp=3.87°；精銑銑刀轉(zhuǎn)速n=6 500 r/min；帶入式(2)，可以得到ìz=0.26 mm；精銑時(shí)切屑的直線的斜率為1.2 ；切削的直線的截距為0.1 ；將上述結(jié)果帶入式(1)，可得精銑主軸組件銑刀所受的單位切削力K=67.65 MPa。進(jìn)給速度u、精銑銑削深度b和寬度D都已知，帶入式(5)，可得單位時(shí)間內(nèi)切下的切屑體積為V0=1.67 cm3/s；代入式(4)，可得銑削功率為P=0.11 kW。精銑時(shí)取傳動(dòng)效率η=0.8，安全系數(shù)取1.2，則精銑主軸組件的銑削電機(jī)功率Pce=0.17 kW。

拋光時(shí)，拋光所需的電機(jī)功率為：

圖6結(jié)構(gòu)所需的電機(jī)功率為：

P=Pce+Ps=0.17+0.22=0.39 kW

考慮到精銑主軸組件以及拋光主軸組件的的工作情況，以及設(shè)備的工作環(huán)境，選用型號(hào)為Yse80-4的電機(jī)，電機(jī)功率為0.8 kW，同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

2.2.2 拋光主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 拋光主軸組件結(jié)構(gòu)與粗銑主軸組件相似，主要由拋光輪、拋光主軸、端蓋、套筒、角接觸球軸承、帶輪、軸端擋圈、六角頭螺栓等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過(guò)軸肩和軸端擋圈實(shí)現(xiàn)拋光輪在拋光主軸上的軸向定位；通過(guò)平鍵實(shí)現(xiàn)拋光輪的周向固定并傳遞扭矩；套筒和端蓋以及軸肩配合實(shí)現(xiàn)軸承的軸向定位。由于加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，在套筒和端蓋之間采用氈圈進(jìn)行密封，防止粉塵以及其他污染物進(jìn)入軸承，以保證軸承良好的工作環(huán)境。為了保證拋光過(guò)程中拋光主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低拋光主軸所受的彎矩，選用兩對(duì)角接觸球軸承對(duì)拋光主軸進(jìn)行支承。

注：1.拋光主軸組件；2.張緊機(jī)構(gòu)；3.精銑主軸組件；4.V帶；5.電機(jī)組件。

注：1.拋光輪；2.端蓋；3.氈圈；4.角接觸球軸承；5.拋光主軸；6.墊片；7.套筒；8帶輪；9.平鍵；10.軸端擋圈；11.六角頭螺栓；12.彈性墊圈。

3 數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件的有限元分析

小徑材板的指榫加工是通過(guò)各個(gè)組件配合完成的，成形、粗銑、精銑以及拋光主軸依次對(duì)板材進(jìn)行加工，各主軸在工作過(guò)程中既受板材對(duì)刀具的銑削反力，又受電機(jī)對(duì)刀具的驅(qū)動(dòng)力，主軸強(qiáng)度以及剛度性能的好壞直接影響板材指榫加工的質(zhì)量。數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)包括的4類(lèi)主軸結(jié)構(gòu)相似，其中粗銑主軸的加工量最大，所受的銑削反力以及驅(qū)動(dòng)力最大。因此，運(yùn)用ANSYS12.0軟件對(duì)數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)的粗銑主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。通過(guò)分析可知，粗銑主軸的受力情況如圖8所示。經(jīng)計(jì)算可得，帶輪軸段位置所受壓軸力為FR1=540.64 N，所受的徑向力為Ft1=318.5 N，帶輪軸段位置的軸半徑r1=20 mm，則輸入扭矩為T(mén)=Ft1×r1=6.37×103N·mm；粗銑刀軸段位置所受徑向銑削力為FR2=112 N，所受的徑向力為Ft2=318.5 N，粗銑刀軸段位置的軸半徑為r2=20 mm，負(fù)載扭矩為M=Ft2×r2=6.37×103N·mm。

粗銑主軸材料選用45鋼，其相關(guān)參數(shù)為彈性模量E=1.9×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度ρ=1.8×103kg/m3，抗拉強(qiáng)度σb=185 MPa，粗銑主軸有限元分析簡(jiǎn)化模型如圖9所示。

采用自由網(wǎng)格劃分法對(duì)粗銑主軸有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種方法的網(wǎng)格劃分自動(dòng)化程度高，結(jié)合粗銑主軸有限元模型的復(fù)雜程度可以合理的將模型網(wǎng)格化[12-16]。粗銑主軸有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果為：節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為109 560，單元個(gè)數(shù)為636 52，單元大小為2 mm，具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10所示。

圖8 粗銑主軸受力示意圖

圖9 粗銑主軸有限元分析簡(jiǎn)化模型

圖10 粗銑主軸有限元分析模型網(wǎng)格劃分

對(duì)粗銑主軸有限元模型施加如圖11所示的約束定義載荷后進(jìn)行求解，得到如圖12所示的應(yīng)力云圖、變形云圖以及應(yīng)變?cè)茍D，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)粗銑主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。

由圖12a可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在粗銑主軸安裝帶輪軸段位置的內(nèi)側(cè)端面，大小為5.622 4 MPa。選用粗銑主軸的材料為45鋼，材料強(qiáng)度安全系數(shù)[S]根據(jù)計(jì)算精度及材料的均勻性選取，由于計(jì)算精度較低且材料均勻，取[S]=2，45鋼的屈服強(qiáng)度為σb=185 MPa，最大許用應(yīng)力按下式計(jì)算：

(8)

根據(jù)式(8)計(jì)算粗銑主軸材料的許用應(yīng)力值為[σ]=95.2 MPa，遠(yuǎn)大于粗銑主軸的最大應(yīng)力值，表明在粗銑過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)主軸強(qiáng)度不足的情況，因此粗銑主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理。

由圖12b可以看出，粗銑主軸的最大變形發(fā)生在粗銑主軸安裝帶輪的軸段位置，離軸端越近變形越嚴(yán)重，其最大變形量為0.001 707 8 mm，遠(yuǎn)小于0.25～0.75 mm的允許誤差量，因此粗銑主軸的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足精度要求。

由圖12c可以看出，最大應(yīng)變出現(xiàn)在粗銑主軸安裝帶輪軸段位置的內(nèi)側(cè)端面，大小為0.031 479 mm/m，遠(yuǎn)小于材料的極限撓度值2.39 mm/m，表明在粗銑過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)主軸剛度不足的情況，因此粗銑主軸結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)合理。

圖11 粗銑主軸載荷添加示意圖

圖12 粗銑主軸仿真云圖

根據(jù)以上對(duì)粗銑主軸應(yīng)力、變形以及應(yīng)變情況的分析，可知粗銑主軸的強(qiáng)度、剛度特性滿(mǎn)足其工作條件，能夠完成粗銑的加工要求并保證較高的加工精度，因此粗銑主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)的加工工藝以及工作原理，確定了設(shè)備的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)粗銑主軸組件和拋光主軸組件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，完成了固定端總成、移動(dòng)端總成以及底架總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并主要對(duì)粗銑主軸組件、拋光主軸組件進(jìn)行了分析，最后通過(guò)對(duì)粗銑主軸的靜力學(xué)有限元分析，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。綜上可知，數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度以及自動(dòng)化程度高，能夠大大提高小徑材的出材率。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)數(shù)控小徑材縱向弧面指接機(jī)研究層次不深，因此，該機(jī)的設(shè)計(jì)適應(yīng)小徑材加工不斷發(fā)展的需求，將為推動(dòng)集材機(jī)械發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。