板式定制家具生產(chǎn)中典型數(shù)控鉆孔設(shè)備分析
吳智慧1，唐遠(yuǎn)明2
（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037；2.浙江云峰莫干山家居用品有限公司，德清313200）
摘 要：在板式定制家具生產(chǎn)過(guò)程中，板式部件的鉆孔是為板式家具制造接口，通過(guò)各種類型的鉆孔設(shè)備在板式部件上加工出用于各種連接件安裝或定位的孔，也是現(xiàn)代板式家具或板式定制家具生產(chǎn)中的重要工段，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命和生產(chǎn)效率等。筆者主要概述和總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)常用的數(shù)控加工中心、數(shù)控開(kāi)料鉆孔中心、臥式數(shù)控鉆孔中心、立式數(shù)控鉆孔中心等3種典型板件鉆孔設(shè)備。這對(duì)現(xiàn)代板式家具或板式定制家具的數(shù)控鉆孔設(shè)備的選型、生產(chǎn)線的規(guī)劃、智能制造的實(shí)施都具有實(shí)際參考作用。
關(guān)鍵詞：板式家具；定制家具；鉆孔；數(shù)控；加工中心
目前市場(chǎng)是以定制家具，如櫥柜、衣柜和書(shū)柜等多數(shù)以板式家具（32 mm系統(tǒng)）的框架結(jié)構(gòu)為主，加上柜門面板，抽屜面板等組成[1]?，F(xiàn)代板式家具或板式定制家具的主要結(jié)構(gòu)形式是拆裝式結(jié)構(gòu)，是通過(guò)各類現(xiàn)代五金件或連接件將各種板式部件連接而組裝成產(chǎn)品，因此，板式部件一般需要進(jìn)行鉆孔加工。板式部件的鉆孔是為板式家具制造接口，通過(guò)各種類型的鉆孔設(shè)備在板式部件上加工用于各種連接件安裝或定位的孔，有時(shí)一次需要鉆出供多種用途的孔，鉆孔數(shù)目多、規(guī)格大小不一，而且部位各不相同，有的在平面上鉆孔，有的在側(cè)邊上鉆孔[2]。鉆孔的基本要求是要按照設(shè)計(jì)要求確?？孜弧⒖拙?、孔徑的加工精度[3]。如果鉆孔精度不能保證，將直接影響家具制品的裝配質(zhì)量和使用壽命。目前在大多數(shù)板式定制家具或具有一定先進(jìn)智能生產(chǎn)線的企業(yè)[3-4]，已廣泛采用單臂式數(shù)控加工中心、龍門式數(shù)控加工中心、臥式數(shù)控鉆孔中心、立式數(shù)控鉆孔中心等典型板件鉆孔設(shè)備。
1 單臂式數(shù)控加工中心
隨著家具工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)控技術(shù)、柔性技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的數(shù)控加工中心（CNC），在家具及木制品生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，其原因是CNC數(shù)控加工中心可以通過(guò)刀架的水平或垂直方向的移動(dòng)、工作臺(tái)的多向移動(dòng)以及刀頭的轉(zhuǎn)動(dòng)等，進(jìn)行鋸、銑、鉆、封邊、砂光等全套加工，實(shí)現(xiàn)三維立體化生產(chǎn)，一機(jī)多能。數(shù)控機(jī)床能按照工件的加工需求和人們給定的程序，自動(dòng)地完成復(fù)雜零件的全部加工工作[2]。
常用的數(shù)控加工中心都擁有刀架（一般有2~8個(gè)刀頭）或刀具庫(kù)，可通過(guò)電腦自動(dòng)控制刀架的運(yùn)動(dòng)、刀頭的選擇和自動(dòng)換刀以及CAD設(shè)計(jì)程序的自動(dòng)操作等完成復(fù)雜家具部件的加工。被加工工件通過(guò)工作臺(tái)內(nèi)的真空吸附作用或工作臺(tái)上的夾緊裝置作用，使其穩(wěn)固在工作臺(tái)面上，從而保證被正確地切削加工。如圖1所示，該類設(shè)備可安裝鋸片、銑刀、鉆頭、刨刀、砂輪等刀具，以便實(shí)現(xiàn)鋸割、起槽、銑槽、雕刻、倒角、刨削、鉆孔、砂光等多用途加工。
因此，CNC數(shù)控加工中心具有調(diào)節(jié)快、輔助工作時(shí)間短、加工精度和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，這既能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能保證較高的加工質(zhì)量。一臺(tái)CNC數(shù)控木材加工中心能滿足現(xiàn)代家具企業(yè)對(duì)產(chǎn)品多方面的加工要求，并能迅速適應(yīng)設(shè)計(jì)和工藝變化的需要，如產(chǎn)品造型上的復(fù)雜多變、產(chǎn)品的快速更新，還有高效、高精度加工以及小批量多品種的生產(chǎn)[2]。
圖1 幾種典型的單臂式數(shù)控加工中心
Fig.1 Typical single arm CNC machining center
2 龍門式數(shù)控加工中心
龍門式數(shù)控加工中心又稱數(shù)控開(kāi)料鉆孔中心、數(shù)控開(kāi)料機(jī)、數(shù)控排鉆開(kāi)料中心，是集自動(dòng)定位、垂直打孔、開(kāi)槽銑型（或雕刻）、優(yōu)化開(kāi)料等功能于一體的數(shù)控加工中心，配備刀具庫(kù)或不同刀具軸，可減少換刀時(shí)間以及加工異形，并對(duì)接設(shè)計(jì)與加工軟件，自動(dòng)排版優(yōu)化下料，是目前靈活性、性價(jià)比、生產(chǎn)效率和板材利用率都比較高的一類數(shù)控開(kāi)料機(jī)，能真正實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)[2]。
圖2（a）為單工位數(shù)控開(kāi)料鉆孔中心，可選配自動(dòng)上下料平臺(tái)；圖2（b）為雙工位數(shù)控開(kāi)料鉆孔中心，雙工位不間斷上下料、開(kāi)料，工作效率大幅提高；圖2（c）為具有自動(dòng)上料、自動(dòng)貼條碼、優(yōu)化開(kāi)料、垂直打孔、自動(dòng)下料等功能一體的數(shù)控開(kāi)料鉆孔中心。
3 臥式數(shù)控鉆孔中心（臥式數(shù)控鉆）
臥式數(shù)控鉆孔中心，又稱臥式數(shù)控鉆，是一種數(shù)控加工設(shè)備，操作簡(jiǎn)便，鉆孔加工速度快，適用于各種板式家具[2]。目前主要有五面數(shù)控鉆（或數(shù)控五面鉆）、六面數(shù)控鉆（或數(shù)控六面鉆）以及通過(guò)式數(shù)控鉆（或通過(guò)式數(shù)控鉆），如圖3和圖4所示，都是全面打孔的設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，效率高、精度也高。
圖2 龍門式數(shù)控開(kāi)料鉆孔加工中心
Fig.2 Gantry type CNC machining center
3.1 六面數(shù)控鉆孔中心（數(shù)控六面鉆）
圖3（a）所示為BHX 500計(jì)算機(jī)數(shù)控多功能加工中心（全能五面加工中心、數(shù)控五面鉆）。設(shè)備采用PC85T電源控制，最高可達(dá)104個(gè)CNC鉆軸的配置，支持各種產(chǎn)品加工的可能性（其中，頂部和底部各配置32支垂直鉆軸、10支水平鉆軸，可通過(guò)程序獨(dú)立控制；頂部和底部各配置1個(gè)槽鋸裝置，實(shí)現(xiàn)90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)加工；頂部和底部各配置1個(gè)鏤銑主刀軸）；自帶工件長(zhǎng)度及厚度檢測(cè)系統(tǒng)，保證加工操作更安全，加工工件長(zhǎng)度為200~2 500 mm，工件寬度為70~1 000 mm，工件厚度最大可達(dá)80 mm；配置1個(gè)附加出料臺(tái)（配縱向和橫向輸送帶），可靈活進(jìn)行各種聯(lián)機(jī)操作；無(wú)論機(jī)械手或吊臂、左邊或右邊進(jìn)料、人工或自動(dòng)的上料與卸料方式，工件放入特定的工位，2個(gè)CNC控制的夾具系統(tǒng)保證穩(wěn)定快速的定位，并會(huì)自動(dòng)把工件送入加工區(qū)域，工件由2個(gè)夾具夾住進(jìn)行加工，1次裝夾可完成工件6個(gè)面的鉆孔以及工件上、下面的開(kāi)槽，加工后又自動(dòng)把工件從另外一側(cè)工位通過(guò)皮帶運(yùn)輸傳送出來(lái)；自動(dòng)鉆軸鎖緊技術(shù)，保證了精確的鉆孔深度，確保家具成品質(zhì)量更完美；擁有各種可選配置以滿足不同產(chǎn)品的加工需要。
圖3（b）所示為NCB 2412六面數(shù)控鉆孔中心（數(shù)控六面鉆）。設(shè)備采用Windows操作系統(tǒng)，工序高度集中，1次裝夾可完成工件6個(gè)面的鉆孔以及工件上、下面的開(kāi)槽，如圖3（d）；高速長(zhǎng)距雙抓手結(jié)構(gòu)，減少換抓手次數(shù)，使加工更高效；自動(dòng)檢測(cè)板材相關(guān)尺寸，防止人工出錯(cuò)；自動(dòng)記錄各類信息，方便生產(chǎn)管理；工作臺(tái)面裝滿氣動(dòng)浮珠，在臺(tái)面移動(dòng)板材輕便，且不劃傷板材；開(kāi)放的軟件對(duì)接接口，可兼容多種對(duì)接格式。
圖3（c）所示為EH 0924/1224臥式數(shù)控排鉆加工中心（數(shù)控六面鉆）。橫梁通過(guò)式結(jié)構(gòu)，六面打孔操作一次性完成，如圖3（d）；雙夾鉗，根據(jù)板材長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)夾持位置，氣浮臺(tái)面有效保護(hù)板材表面；機(jī)器最大加工板材尺寸：2 440 mm×900 mm×50 mm（2 440 mm×1 200 mm×50 mm），最小加工板材尺寸：200 mm×50 mm×10 mm；垂直鉆（上12個(gè)＋下9個(gè)）+水平鉆（X向4個(gè)＋Y向4個(gè)）＋鋸片的排鉆搭配主軸，可實(shí)現(xiàn)多元化加工。
3.2 通過(guò)式數(shù)控鉆孔中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）
圖4（a）所示為EHS 0924通過(guò)式六面鉆孔加工中心（通過(guò)式數(shù)控六面鉆）。橫梁通過(guò)式結(jié)構(gòu)，六面打孔操作一次性完成；雙夾鉗，根據(jù)板材長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)夾持位置；垂直鉆（上12個(gè)＋下9個(gè)）+水平鉆（X向4個(gè)＋Y向4個(gè)）的排鉆搭配主軸，可實(shí)現(xiàn)多元化加工；選配雙鉆包可同時(shí)打側(cè)孔、垂直孔，效率大幅提升；打孔連線最小可加工板材長(zhǎng)度為80mm，獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。
圖3 臥式數(shù)控鉆孔中心（數(shù)控鉆）
Fig.3 Nested-based CNC machining center
圖4（b）所示為ET 0724通過(guò)式數(shù)控排鉆加工中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）。這是一款高速、連續(xù)性加工的數(shù)控鉆孔設(shè)備，具有雙橫梁四排鉆組，雙工位，可同時(shí)加工2張板材，加工效率極高；56個(gè)單獨(dú)程控的高速變軸的垂直鉆軸，10個(gè)單獨(dú)程控的高速變軸的水平鉆軸，2組開(kāi)槽鋸（X向/Y向）；高速同步帶輸送板材，全臺(tái)面真空吸附盤(pán)確保板材穩(wěn)固吸附不移位，加工更精準(zhǔn)；可對(duì)接軟件、板材自動(dòng)定位，自動(dòng)加工，即使柔性加工，也可批量高效完成板件多個(gè)面的鉆孔。
圖4（c）所示為N 2508通過(guò)式打孔中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）。該設(shè)備集自動(dòng)進(jìn)料、加工和出料于一體，適用于流水線作業(yè)，自動(dòng)化程度高；具有雙龍門四鉆盒（四排鉆組），包含了84支垂直鉆、16支水平鉆，根據(jù)需求相互配合，極大提高了加工效率；4個(gè)鉆盒（四排鉆組）上的刀具可同時(shí)加工2件工件，也可同時(shí)加工同一件工件，加工靈活高效；下沉式側(cè)面定位板設(shè)計(jì)，方便加工側(cè)面孔，鉤頭式帶緩沖的定位裝置，使工件的定位更加平穩(wěn)可靠；采用真空吸盤(pán)固定工件，同時(shí)配置側(cè)靠夾手，穩(wěn)固工件，確保加工精度；開(kāi)放的軟件對(duì)接接口，可實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)拆單軟件完美對(duì)接，無(wú)須編程和調(diào)機(jī)，一次上料即可完成四面（工件的上、前、后和左側(cè)）孔位加工。
圖4（d）所示為ABL 220通過(guò)式高速打孔中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）。該設(shè)備的機(jī)頭配置為80個(gè)（4×20）單獨(dú)程控的高速變頻垂直鉆軸；16個(gè)單獨(dú)程控的高速變頻水平鉆軸（X向4×3=12個(gè)，Y軸向2×2=4個(gè)）；2組可旋轉(zhuǎn)的開(kāi)槽鋸?125 mm（0°/90°）。氣壓滾輪裝置具有下壓式橡膠滾輪，保證水平鉆孔精度；直線型夾緊固定裝置和氣動(dòng)可升降靠尺，可升降靠尺保證了該面水平孔的加工。探頭系統(tǒng)保證工件定位的準(zhǔn)確；加工區(qū)域全臺(tái)面真空吸盤(pán)裝置，保證了工件在通過(guò)式臺(tái)面上加工的穩(wěn)定性；工作臺(tái)面為3 000 mm×800 mm。該通過(guò)式高速打孔中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）特有的鉆軸鎖緊技術(shù)保證了打孔的高質(zhì)量，可以完美保證精確的鉆孔深度；能滿足大批量板式定制家具制造的高效、高質(zhì)的打孔需求。
4 立式數(shù)控鉆孔中心
圖5所示為德國(guó)豪賽爾Evolution立式數(shù)控加工中心，無(wú)論是實(shí)木家具還是板式家具，從抽屜部件到柜體部件，從家具門板部件到柜體背板部件，從部件四周邊銑型到門板面銑型，從水平和垂直打孔到銑槽，在高度集成的Evolution立式加工中心上都可以一氣呵成完成加工，兼有高靈活性和多功能性，也保證了加工精度以及穩(wěn)定性。
圖4 通過(guò)式數(shù)控鉆孔中心（通過(guò)式數(shù)控鉆）
Fig.4 Thrufeed CNC drilling machine
圖5 德國(guó)豪賽爾Evolution立式數(shù)控加工中心
Fig.5 Holz-Her Evolution vertical CNC machining center
圖6所示為金田豪邁的BHX 050計(jì)算機(jī)數(shù)控多功能加工中心（立式數(shù)控加工中心）。設(shè)備配置8支垂直鉆軸、6支水平鉆軸，可通過(guò)程序獨(dú)立控制；配置1個(gè)槽鋸裝置，沿X方向加工；配置1個(gè)鏤銑刀軸；自帶工件長(zhǎng)度及厚度檢測(cè)系統(tǒng)，保證加工操作更安全，加工工件長(zhǎng)度為200~2 500 mm，工件寬度為70~850 mm，工件厚度為12~60 mm；可一次裝夾完成板件的銑型、打孔、銑槽等加工，高效、靈活并能保證加工精度和質(zhì)量。
圖7所示為COMPACT 0925立式排鉆加工中心（PTP排鉆加工中心）。該設(shè)備的排鉆與主軸配置方案為：1臺(tái)5.5 kW主軸（可選配9.6 kW自動(dòng)換刀主軸），15支獨(dú)立啟動(dòng)的鉆頭（9個(gè)垂直/6個(gè)水平），1個(gè)開(kāi)槽鋸，即9垂直+6水平+1鋸片，也可選配4刀位刀庫(kù)；可無(wú)縫銜接開(kāi)料環(huán)節(jié)，加工條碼涵蓋垂直孔、側(cè)孔、鐵槽等所有信息，無(wú)須另行拷貝或傳輸CNC加工文件，工人僅需掃描條碼后機(jī)器即可自動(dòng)打垂直孔、側(cè)孔、開(kāi)槽等加工，全過(guò)程不需人工技術(shù)性干預(yù)；能進(jìn)行加工合理性校驗(yàn)，自動(dòng)檢測(cè)工件尺寸與加工程序中尺寸是否匹配，如尺寸不符系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)并停止加工，杜絕人工上料錯(cuò)誤帶來(lái)的損失；工件的最大加工尺寸為2 500 mm×900 mm×36 mm，最小加工尺寸200 mm×50 mm×10 mm；改變了傳統(tǒng)的工件固定的加工模式，采用全自動(dòng)夾鉗固定并移動(dòng)板材，擺脫工件固定對(duì)吸附的依賴，夾持更穩(wěn)定，小板材也夾持穩(wěn)固，便于加工；帶有氣浮臺(tái)面，確保板材表面不會(huì)被劃傷或磨損。
圖6 BHX 050立式數(shù)控加工中心
Fig.6 CNC multi boring machine BHX 050
圖7COMPACT 0925立式排鉆加工中心
Fig.7 COMPACT 0925 vertical row drilling machining center
5 結(jié)語(yǔ)
在傳統(tǒng)的板式家具生產(chǎn)中，為適應(yīng)板式家具大批量生產(chǎn)的需要，以“32 mm系統(tǒng)”為主要特征的木工多軸排鉆（如常用的三排鉆、六排鉆等）得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[5]，而且目前在一些中小型定制家具生產(chǎn)企業(yè)仍然采用這類鉆孔設(shè)備。盡管木工多軸排鉆生產(chǎn)效率較高，加工精度好，適合批量大板件加工，但其屬于半自動(dòng)化設(shè)備，調(diào)機(jī)和裝卸刀具時(shí)間長(zhǎng)，不適合個(gè)性化多種產(chǎn)品的加工。因此，目前對(duì)于先進(jìn)的板式定制家具（家居）或智能制造生產(chǎn)企業(yè)[6-9]，大多已廣泛采用單臂式數(shù)控加工中心、龍門式數(shù)控加工中心、臥式數(shù)控鉆孔中心、立式數(shù)控鉆孔中心等典型板件鉆孔設(shè)備。這是因?yàn)檫@些數(shù)控鉆孔加工中心，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，鉆孔加工速度快、效率高，能確?？孜弧⒖拙?、孔徑的加工精度，適用于各種不同類型的板式部件鉆孔加工，并能與其它數(shù)控設(shè)備配套連成自動(dòng)或智能生產(chǎn)線。應(yīng)進(jìn)一步提高設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平，使之能同時(shí)滿足不同的產(chǎn)品需求，減少人為干預(yù)，并與上下游設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上的互聯(lián)互通，朝著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的方向發(fā)展[10]。因此，積極采用數(shù)控鉆孔加工中心進(jìn)行板式部件的鉆孔，對(duì)推動(dòng)和實(shí)施板式定制家具的智能制造和轉(zhuǎn)型升級(jí)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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