實(shí)木柜類家具變尺定制中排孔規(guī)則探究

王寧，王強(qiáng)，郝景新，李軍，孫德林

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.南京林業(yè)大學(xué) 家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037）

早期由于多排鉆和機(jī)械制造規(guī)范的要求，家具制造企業(yè)形成了統(tǒng)一的“32 mm 系統(tǒng)”鉆孔體系。“32 mm系統(tǒng)”及其相關(guān)的五金件在裝配上能實(shí)現(xiàn)快裝、待裝，在結(jié)構(gòu)上能自由組合，在功能上能適度調(diào)節(jié)和擴(kuò)展[1]，還可以降低運(yùn)輸成本，使家具在運(yùn)輸方面更方便、快捷[2]，因此被用于各種板式家具和部分實(shí)木家具的產(chǎn)生中。但隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，家具生產(chǎn)中鉆孔不再局限于多排鉆，可以自由地使用數(shù)控加工中心進(jìn)行鉆孔加工，這使生產(chǎn)鉆孔具有靈活性和自由性。同時(shí)經(jīng)中國(guó)定制家居產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新，轉(zhuǎn)型升級(jí)[3]，研發(fā)出定制板式家具生產(chǎn)制造體系，開拓了巨大的定制家具市場(chǎng)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)家居的追求也越來越趨于個(gè)性化和定制化[4]。隨著定制板式家具的發(fā)展和應(yīng)用，定制家居市場(chǎng)也從“板式”向“實(shí)木”延伸[5]；“個(gè)性化定制”與“柔性化生產(chǎn)”提供了一種全新的信息化制造模式[6-7]，所以定制板式家具“設(shè)計(jì)-拆單-排產(chǎn)”這一系統(tǒng)的制造體系也在逐步地過渡到定制實(shí)木家具生產(chǎn)上，尤其是定制實(shí)木柜類家具的生產(chǎn)。另外，由于房屋戶型尺寸的多樣性，導(dǎo)致在實(shí)木柜類家具定制生產(chǎn)中，變尺寸定制生產(chǎn)是最基本的定制需求，同時(shí)，現(xiàn)代實(shí)木柜類家具對(duì)三合一、圓棒榫、四合一、鉸鏈等利于工業(yè)化生產(chǎn)的五金連接件的使用越來越廣泛，致使實(shí)木柜類家具定制生產(chǎn)中的排孔需求和問題越來越突出?，F(xiàn)階段實(shí)木柜類家具變尺定制生產(chǎn)沒有科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一的排孔規(guī)則[8-10]，因此分析總結(jié)出具備合理性、通用性、準(zhǔn)確性的排孔規(guī)則對(duì)其設(shè)計(jì)生產(chǎn)有著重要影響[11]。文中對(duì)實(shí)木柜類家具變尺定制生產(chǎn)中排孔需求及排孔規(guī)則進(jìn)行了分析和探究。

1 實(shí)木與板式柜類家具排孔區(qū)別

1.1 五金及排孔類別

實(shí)木柜類家具采用的三合一、圓棒榫、四合一等五金件，與傳統(tǒng)的板式家具所用五金略有不同。由于實(shí)木柜類家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，通常會(huì)使用加強(qiáng)型的五金件，如帶螺紋的金屬預(yù)埋螺母，預(yù)埋螺母加長(zhǎng)直徑加大、加強(qiáng)型連接桿，月牙螺母等。這就使其與板式家具排孔信息有所不同。

1.2 零件及結(jié)構(gòu)排孔區(qū)別

板式柜類家具生產(chǎn)大都采用板件排孔，可以全部使用多面鉆數(shù)控排孔加工，實(shí)木柜類家具生產(chǎn)中，整板板件可以使用多面鉆數(shù)控排孔加工，但框嵌板結(jié)構(gòu)與異形件等無法達(dá)到數(shù)控加工要求的零部件，則需使用多排鉆人工排孔加工。

1.2.1 框嵌板結(jié)構(gòu)排孔

采用三合一、圓棒榫等五金連接件生產(chǎn)的實(shí)木柜類家具與板式家具最大的區(qū)別之一是其特有的框嵌板結(jié)構(gòu)，包括柜門、側(cè)板、頂板、層板、底板、背板等都可以存在框嵌板結(jié)構(gòu)，框嵌板框條與芯板加工過程中需要銑型、拉槽、斜切、夾框、齊邊、打磨、涂裝油漆等不同于板式家具，需額外反復(fù)的加工工藝。其中不僅需要在夾框工藝之前，排夾框結(jié)構(gòu)孔，還需要在齊邊工藝之后，排預(yù)埋螺母孔、偏心輪孔、連接桿孔、圓棒榫孔等。而板式柜類家具都是整板結(jié)構(gòu)，僅需要鋸切-封邊-排孔即可完成加工。

1.2.2 異形件排孔

實(shí)木柜類家具比板式家具更能通過豐富的造型、形態(tài)體現(xiàn)出其材質(zhì)美和結(jié)構(gòu)美。這就使實(shí)木柜類家具在加工生產(chǎn)中存在一些異形件加工，這些異形件需要鋸形，立銑、吊鏤、雕刻、車削、打磨、涂裝油漆等相對(duì)復(fù)雜的加工工藝，在完成這些異形件造型形態(tài)的加工后，再進(jìn)行多排鉆人工排孔，與常規(guī)板件接合，形成連接結(jié)構(gòu)。而板式柜類家具，板件多面鉆數(shù)控排孔后即完成加工，不同板件即可形成連接結(jié)構(gòu)。

2 變尺定制生產(chǎn)中的排孔需求

2.1 零件在長(zhǎng)寬高上的變尺需求

定制產(chǎn)品在長(zhǎng)寬高變尺寸生產(chǎn)過程中，所有零件都需要在其長(zhǎng)寬高3 個(gè)方向上分配各自合理的變尺比例生產(chǎn)，所以零件的孔位需要隨著零件尺寸的改變而發(fā)生改變（保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度），見圖1。

圖1 頂板與抽面板的變尺分配比例Fig.1 Variable scale distribution ratio of top board and draw board

2.2 確定產(chǎn)品變尺范圍需求

變尺定制并不意味著產(chǎn)品尺寸可以無限制地變化定制，只有確定了類型產(chǎn)品變尺范圍（如電視柜類產(chǎn)品長(zhǎng)寬高變尺范圍是多少），才能有效地保證設(shè)計(jì)排孔資料的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

2.3 確定結(jié)構(gòu)排孔信息需求

確定了類型產(chǎn)品單一結(jié)構(gòu)排孔類別和個(gè)數(shù)（如頂板與側(cè)板采用什么連接結(jié)構(gòu)及其孔位個(gè)數(shù)），才能在零件變尺定制生產(chǎn)中，確定零件排孔信息，并保證其合理性、通用性、準(zhǔn)確性，再根據(jù)變尺尺寸的不同，設(shè)定其中一個(gè)可以變化的孔間距來滿足零件尺寸變化的需求。

2.4 自動(dòng)化加工與人工加工排孔契合需求

實(shí)木柜類家具生產(chǎn)過程中會(huì)有許多異形件和小料件鉆孔。小料件鉆孔使用數(shù)控加工，會(huì)因?yàn)榱慵^小無法吸附固定零件，導(dǎo)致跳刀、崩料等加工問題，所以小料件鉆孔要使用人工加工。異形件鉆孔因?yàn)椴环显O(shè)備加工要求必須使用人工加工，而人工多排鉆加工，排孔需要滿足孔間距為32 mm 的倍數(shù)。此外，為了保證生產(chǎn)效率，板件鉆孔需要使用數(shù)控加工，那么在板件與異形件和小料件有接合結(jié)構(gòu)時(shí)，就產(chǎn)生了板件數(shù)控鉆孔與人工鉆孔孔位契合的需求。這就需要孔間距為32 mm 的倍數(shù)，保證人工鉆孔效率，同時(shí)還要保證數(shù)控與人工鉆孔相契合的排孔規(guī)則要求。

3 排孔規(guī)則

3.1 距離邊部排孔規(guī)則

由于三合一、四合一、圓棒榫等家具連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)木柜類家具在變尺生產(chǎn)過程中，一些邊部位置必須有結(jié)構(gòu)連接才能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這就需要在這些位置始終存在結(jié)構(gòu)孔，所以距離邊部排孔是必要的排孔規(guī)則之一。根據(jù)不同家具廠生產(chǎn)所用板材的厚度及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以確定若干個(gè)距離邊部排孔的距離，見圖2。記板件的長(zhǎng)為l，寬為w，厚為h(藍(lán)標(biāo)尺寸為可變尺寸)，則有距離邊部排孔距離X、Y，定制零件可變尺距離N（N距離間孔位個(gè)數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)類型確定），其中X=0.5h，Y由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型決定為固定值，N=(w–2Y)/2。

圖2 距離邊部排孔規(guī)則Fig.2 Drilling rules for distance edge

3.2 分中規(guī)則

分中規(guī)則指的是從零件加工面的中心出發(fā)，分別向兩端排孔。分中規(guī)則需要確定孔位的類別、個(gè)數(shù)和間距，這就意味著分中規(guī)則永遠(yuǎn)是以零件中心位置為中心進(jìn)行排孔，保證了內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。但分中規(guī)則存在局限性，在定制變尺寸生產(chǎn)過程中，孔位技術(shù)資料若不進(jìn)行人工修改，分中規(guī)則孔位會(huì)出現(xiàn)：零件加長(zhǎng)生產(chǎn)，邊部長(zhǎng)距離沒有孔位，零件變短生產(chǎn)，邊部原有孔位缺失等嚴(yán)重影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的問題。所以為了保證排孔規(guī)則的合理性、通用性、準(zhǔn)確性，分中規(guī)則通常適用于零件變尺范圍較小或不變尺方向，孔間距要保證為32 mm 的倍數(shù),常用于異形件和小料件的排孔，見圖3。記板件的長(zhǎng)為l，寬為w，厚為h(藍(lán)標(biāo)尺寸為可變尺寸)，則有偶數(shù)孔分中w=2Y+3* n*32，奇數(shù)孔分中w=2Y+2*n*32，其中Y為板件寬度可變尺寸，所有孔間距均32 mm 的倍數(shù)。

圖3 分中規(guī)則Fig.3 Rules for drilling from the middle

3.3 偶數(shù)孔規(guī)則

在變尺寸生產(chǎn)孔位技術(shù)資料不修改的前提下，奇數(shù)孔個(gè)數(shù)會(huì)因?yàn)榱慵叽绲母淖兌鴮?dǎo)致孔位分布不均，孔間距改變的問題，不符合排孔的合理性、準(zhǔn)確性、通用性要求。采用偶數(shù)個(gè)孔和距離邊部排孔規(guī)則，在變尺寸生產(chǎn)過程中，孔位均勻分布兩邊，距邊部距離和孔個(gè)數(shù)固定，孔間距為32 mm 的倍數(shù)（人工加工與自動(dòng)化加工契合），只有居中兩孔的間距變化。人工打孔也無需調(diào)機(jī)，采用工件掉頭打孔就可保證生產(chǎn)效率，見圖4。記板件的長(zhǎng)為l寬為w，厚為h(藍(lán)標(biāo)尺寸為可變尺寸)，則有w=2Y+2*n*32+N，孔個(gè)數(shù)為偶數(shù)，其中N為板件寬度可變尺寸，圖左為板件原尺寸，圖右為寬度增加a之后的零件變尺尺寸。

圖4 距離邊部偶數(shù)孔規(guī)則Fig.4 Even hole rule for distance edge

3.4 反向確定孔規(guī)則

家具生產(chǎn)中，連接結(jié)構(gòu)在一定程度上確定了相接合零件的孔位信息，這就保證了零件的孔位具有一定的匹配性，可以根據(jù)一個(gè)零件的孔位信息反向確定與之接合零件的孔位信息，常用于與異形件和小料件相接合的零件，見圖5。三合一與圓棒榫孔位匹配信息，其中記板件的長(zhǎng)為l，寬為w，厚為h(藍(lán)標(biāo)尺寸為可變尺寸)，則有w=N+2Y，Y為距離邊部固定值，N為板件寬度可變尺寸。

圖5 孔位匹配信息Fig.5 Hole matching information

3.5 排孔需求與排孔規(guī)則的主要關(guān)系

表1 排孔需求與排孔規(guī)則的主要關(guān)系總結(jié)Tab.1 The relationship between drilling requirements and drilling rules

4 設(shè)計(jì)實(shí)踐論證

柜類家具基本部件主要包括：頂板、底板、層板、側(cè)板、背板、柜門、抽屜等。根據(jù)這些部件及以上排孔需求和排孔規(guī)則，下面以一個(gè)內(nèi)部具有柜門、層板、抽屜3 種相對(duì)全面常見結(jié)構(gòu)的實(shí)木電視柜（1 500 mm*500 mm*420 mm）進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐論證（頂?shù)装搴凸耖T為框嵌板結(jié)構(gòu)，柜門框條屬于異形件需要型邊、銑嵌板槽、銑拉手槽、斜切等加工工藝）。具體以頂板、左側(cè)板、柜門板、層板、抽拉檔、中側(cè)板這6 個(gè)具有代表性的板件加以詳細(xì)說明，體現(xiàn)出排孔規(guī)則在變尺寸定制生產(chǎn)過程中一直適用，見圖6。

圖6 電視柜應(yīng)用舉例Fig.6 Application example of TV cabinet

頂板的俯視排孔圖，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，底板板件排孔與頂板類似，見圖7。

圖7 頂板排孔Fig.7 Top plate row holes

1）產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸變尺。頂板側(cè)框和中挺均采用分中規(guī)則排孔，再根據(jù)反向確定孔規(guī)則，確定前后框上的孔位。在產(chǎn)品長(zhǎng)度變尺定制過程中，側(cè)框和中挺的孔位信息一直無變化，具有唯一確定性，再根據(jù)側(cè)框位于邊部，中挺位于三等分處的特點(diǎn)，反向確定前后框上的孔位，保證產(chǎn)品在長(zhǎng)度方向上改變時(shí)，板件孔位信息的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

2）產(chǎn)品寬度尺寸變尺。頂板與側(cè)板連接孔位采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，Y1和Y2表示距離邊部尺寸，N表示可變尺寸，Y2尺寸100 mm 既滿足了柜門板厚度尺寸18 mm 預(yù)留，還避免了與側(cè)框圓棒榫孔位的干擾，Y1 尺寸20 mm 滿足了背板尺寸5 mm 的預(yù)留。產(chǎn)品在寬度變尺寸定制過程中，僅有N尺寸188 mm 的改變滿足整個(gè)板件寬度的改變，保證孔位信息的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

左側(cè)板與頂?shù)装濉⒐耖T板，右視圖排孔關(guān)系，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，見圖8。右側(cè)板排孔與之類似。

圖8 左側(cè)板排孔Fig.8 Left side row holes

1）產(chǎn)品寬度尺寸變尺。左側(cè)板與頂?shù)装暹B接孔位采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，孔位信息變化同頂板在產(chǎn)品寬度尺寸變尺，并與之有反向確定孔規(guī)則關(guān)系。

2）產(chǎn)品高度尺寸變尺。鉸鏈定位孔采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，距邊部距離為54 mm 保證了鉸鏈位置的合理性；可變尺寸為178 mm，滿足板件在產(chǎn)品高度尺寸上的變尺，從而保證產(chǎn)品在高度尺寸上變尺時(shí)，左側(cè)板孔位信息的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

柜門板右視圖排孔，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，見圖9。

圖9 柜門板排孔Fig.9 Cabinet door panel row holes

1）產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸變尺。柜門上下框長(zhǎng)度尺寸的改變，即可滿足產(chǎn)品在長(zhǎng)度尺寸上的定制。其中柜門上下框尺寸變化比例為產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸改變的1/3。

2）產(chǎn)品高度尺寸變尺。鉸鏈孔定位采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，孔位信息變化同左側(cè)板在高度尺寸變尺，并與之有反向確定孔規(guī)則關(guān)系。

柜門框均采用45°斜接的方法，其連接孔位——圓棒榫孔位均采用分中規(guī)則，具有唯一確定性。

層板俯視圖排孔，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，見圖10。

圖10 層板排孔Fig.10 Layer board row holes

1）產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸變尺。板件的長(zhǎng)度尺寸為476 mm改變來滿足產(chǎn)品長(zhǎng)度方向尺寸改變，且尺寸變化比例為產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸改變的1/3。

2）產(chǎn)品寬度尺寸變尺。板件兩側(cè)三合一圓棒榫孔位采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，Y表示距離邊部尺寸，N表示可變尺寸，Y尺寸為60 mm 滿足了層板三合一孔位位置的合理性。產(chǎn)品在寬度變尺寸定制過程中，僅有N尺寸102 mm 的改變滿足整個(gè)板件寬度的改變，保證孔位信息的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

抽拉檔俯視圖排孔，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，見圖11。

圖11 抽拉檔排孔Fig.11 Drawer frame row holes

1）產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸變尺。通過板件的長(zhǎng)度尺寸476 mm 改變來滿足產(chǎn)品長(zhǎng)度方向尺寸改變，且尺寸變化比例為產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸改變的1/3。

2）產(chǎn)品寬度尺寸變尺。抽拉檔尺寸不影響產(chǎn)品寬度尺寸變尺。

抽拉檔板件三合一孔位，采用分中規(guī)則排孔，具有唯一確定性，可以根據(jù)抽拉檔孔位位于側(cè)板1/2 處的特點(diǎn)，反向確定側(cè)板孔位，保證側(cè)板上抽拉檔三合一預(yù)埋螺母孔的合理性、通用性、準(zhǔn)確性。

中側(cè)板左視圖排孔，藍(lán)色標(biāo)注為可變尺寸，見圖12。

圖12 中側(cè)板排孔Fig.12 Middle side plate row holes

1）產(chǎn)品寬度尺寸變尺。板件上下與頂板接孔位采用距離邊部孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，孔位信息變化同頂板在寬度尺寸變尺。板件中間部位孔位同樣采用距離邊部排孔規(guī)則和偶數(shù)孔規(guī)則，孔位信息變化同層板在產(chǎn)品寬度尺寸變尺。

2）產(chǎn)品高度尺寸變尺。板件高度尺寸350 mm的改變，滿足產(chǎn)品在高度尺寸上的變尺。板件中間層板孔位始終居中，保證層板位置的準(zhǔn)確。

變尺排孔規(guī)則與傳統(tǒng)排孔規(guī)則在變尺定制生產(chǎn)中，排孔資料修改次數(shù)的對(duì)比，體現(xiàn)出可以提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率和提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)資料準(zhǔn)確性的優(yōu)勢(shì)，見表2。

表2 排孔資料修改次數(shù)對(duì)比（以電視柜為例）Tab.2 Comparison of modification times of drilling data(E.g. TV cabinet)

5 排孔規(guī)則應(yīng)用總結(jié)與優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5.1 排孔規(guī)則應(yīng)用總結(jié)

根據(jù)定制實(shí)木柜類家具生產(chǎn)過程中需要鉆孔工藝零件的特點(diǎn)及接合方式，將排孔類別分為，板件與板件接合排孔、條形零件與板件接合排孔、條形零件與條形零件接合排孔三大類，見表3—5。并根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，通過表3—5 進(jìn)行具體說明和總結(jié)。（寬度方向大于100 mm 的為板件，小于100 mm 的為條形零件）。

表3 板件與板件接合排孔總結(jié)Tab.3 Summary of panel to panel joint hole arrangement

5.2 排孔規(guī)則優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)排孔規(guī)則利于常規(guī)產(chǎn)品批量化加工生產(chǎn)，變尺排孔規(guī)則適用于定制變尺化生產(chǎn)；傳統(tǒng)排孔規(guī)則適用于傳統(tǒng)的根據(jù)訂單中具體產(chǎn)品生產(chǎn)加工的制造模式，而變尺排孔規(guī)則在一定程度上契合成組加工技術(shù)、延遲制造技術(shù)等現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)，利用成組加工技術(shù)、延遲制造技術(shù)等進(jìn)行批量生產(chǎn)，可以達(dá)到降低生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期的效果[12-14]。

表4 條形零件與板件接合排孔總結(jié)Tab.4 Summary of joint hole arrangement between strip parts and panels

表5 條形零件與條形零件接合排孔總結(jié)Tab.5 Summary of joint hole arrangement of strip parts and strip parts

續(xù)表1

表6 排孔規(guī)則優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tap.6 Comparison of advantages and disadvantages of drilling rules

6 結(jié)語

中國(guó)家具制造業(yè)隨著時(shí)代的腳步正在不斷發(fā)展創(chuàng)新，并朝著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的方向不斷努力前進(jìn)[15]。實(shí)木家具工業(yè)化變尺定制生產(chǎn)已經(jīng)是大勢(shì)所趨，根據(jù)實(shí)木柜類家具變尺定制生產(chǎn)的特點(diǎn)，文中分析歸納了零件在長(zhǎng)寬高上的變尺需求、確定產(chǎn)品變尺范圍需求、確定結(jié)構(gòu)排孔信息需求、自動(dòng)化加工與人工加工排孔契合需求，這四條排孔需求；總結(jié)提出了距離邊部排孔規(guī)則、分中規(guī)則、偶數(shù)孔規(guī)則、反向確定孔規(guī)則，這四條具有合理性、通用性、準(zhǔn)確性的排孔規(guī)則，并進(jìn)行了實(shí)踐論證。歸納總結(jié)了實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)實(shí)木柜類家具變尺定制化生產(chǎn)具有一定的參考意義。