（机械工程专业论文）欧式木窗暗斜榫数控加工设备与仿真研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着生活品味及生活水平的不断提高，人们对欧式木窗的需求量也越来越大。 欧式木窗不仅具有外形美观，品味高档的特点，而且具有保温节能的功能。在全球气温变 暖，提倡节能减排的今天，研究欧式木窗及加工设备具有十分重要的意义。 本文阐述了国内外开榫技术的现状，并对开榫的原理做了简单的介绍。对比分析了传统 木窗和欧式木窗的优缺点，并对木窗的榫连接方式进行了分类总结，由此引出新型的欧式木 窗暗斜榫结构。 在分析圆头直榫和圆头直榫榫眼的数学理论模型的基础上建立了新型欧式木窗暗斜榫的 数学模型，分析了新型的欧式木窗暗斜榫结构，制定了暗斜榫的加工工艺过程，为设计暗斜 榫数控加工设备提供了理论依据。 本文以暗斜榫加工工序为基础，设计了欧式木窗暗斜榫数控加工设备的整体结构及机床 主运动系统和进给机构，该设备可以实现在x 、y 、z 三个方向上的移动。 最后在p m e 环境下，创建零部件的三维模型，并按照机构原理装配到一起，然后利用 p r o e 的机构仿真功能模拟欧式木窗暗斜榫的加工过程，为机床的实际生产做好前期准备。 开发该项技术和设备，在很大程度上丰富了国内数控木工机床的市场，满足了人们对欧 式木窗的需求，对提高我国木材加工业的数控化程度具有重要的意义。 关键词欧式木窗；暗斜榫；数控加工：仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v eaf u l ld e m a n di ne u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w sw i t hl i f eq u a l i t y a n ds t a n d a r do fl i v i n gi s e s c a l a t i n 昏e u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w si s n o to n l yb e a u t i f u l a p p e a r a n c e ，h i g h - e n dt a s t ef e a t u r e s ，b u ta l s oh a se n e r g y - s a v i n gi n s u l a t i o nf e a t u r e s i ng l o b a l w a n n i n 岛p r o m o t ee n e r g yc o m e r v a t i o nt o d a y , o fg r e a ts i g 砸丘c a n c et or e s e a r c he u r o p e a n - s t y l e w o o d e nw i n d o w sa n de q u i p m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t a t u so fo p e nt e n o nt e c h n i q u e , a n di n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fo p e n t e n o nb r i e f l y c o m p a r a t i v ea n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lw o o d e n w i n d o w sa n de u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s ，a n dc l a s s i f i e st h et e n o nc o m a e c t i o n so fw o o d e n w i n d o w s t h i sl e a d st oan e ws e c r e tb e v e l e dt e n o no f e u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lt h c o r ym o d e lo fa n a l y z i n gr o u n d - s t r a i g h tt e n o na n dr o u n dd i r e c t m o r t i s e , t h i sp a p e rp r o p o s e sam a t h e m a t i c a lt h e o r ym o d e lo f n e w s e c r e tb e v e l e dt e n o no fe u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s t h e s ep r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u t u r eg e n e r a t i o n so fr e s e a r c ha n dn c m a c h i n i n g t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e w s e c r e tb e v e l e dt e n o no fe u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s , d e v e l o pp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h es e c r e tb e v e l e dt e n o nf o rt h ed e s i g no fc n cm a c h i n i n g e q u i p m e n t a tt h eb a s eo fn cm a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fp r i m a r ym o t i o n s y s t e ma n df e e d i n gs y s t e mw h i c hb e l o n gt ot o o li nf u l l ，s ot h a tt h ed e v i c ec a n b ea c h i e v e di nt h e ) ( ， yzt h r e ed i r e c t i o n s 。 f i n a l l y , i np r o ee n v i r o n m e n t , t oc r e a t et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f p a r t sa n da s s e m b l yt o g e t h e r i na c c o r d a n c e 、析mm e c h a n i s mp r i n c i p l e s , a n dt h e nu s i n gp m em e c h a n i s ms i m u l a t e se u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s s e c r e tb e v e l e dt e n o np r o c e s s i n gt og u i d et h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h i s e q u i p m e n t d e v e l o p i n gt h ee q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g y , i te n r i c h e si nl a r g ed o m e s t i cm a r k e tf o rc n c w o o d w o r k i n gm a c h i n e s ，i tm e e t st h ep e o p l e sn e e df o re u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w s ，i ti s i m p o r t a n tt oi m p r o v eo u rw o o d w o r k i n gi n d u s t r y sn c l e v e l k e y w o r d se u r o p e a n s t y l ew o o d e nw i n d o w s ；s e c r e tb e v e l e dt e n o n ；c n c ；s i m u l a t i o n 玎 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 人类自从有了居所，窗户就成为生活中的重要组成部分。窗，是放眼视野的通途。窗可 以算是房屋的眼睛，窗户打通了人与自然的隔膜，可以足不出户就享受到温暖的阳光和凉爽 的清风。窗是品味家居生活的保障，也体现着新的生活方式和生活价值。 在找们的生活中，窗子常伴随左右。稍加留心，我们会发现窗子中有玻璃窗、钢窗、竹 窗、木窗等很多种类。这些各式各样的窗子中，木窗是最和人靠近的一种。木窗之所以和人 靠的很近，是因为它的材质。有资料表明，在人类己知的各种材料里，木材是与人类关系最 密切、最友好的一种l i j 。 就窗的发展来说，可以说从原始木窗到钢窗的流行是实用性方面的变革，从钢窗到铝 合金窗是审美的胜利，从铝合金窗到塑钢窗的流行，是使用节能的主导，而今天新型实木窗 又进入人们的生活，说明了人们生活质量的提高。从窗的制作材料的历史变化来看，由木材 开始，经历了钢材、铝合金、塑钢等这些历程，但一直以来木材在窗的材料中起着举足轻重 的作用。由于我国林业在生态平衡中起着主导作用，以及我国林业方面的政策导向，致使近 代对木窗的结构和工艺研究甚少，在铝合金、塑钢窗成为主流的时代，木窗几乎在市场中销 声匿迹。即使是这样，窗作为我国居室的重要组成部分，木窗还始终保持着一定的比例。 在全球气温变暖，提倡节能减排的今天，建筑节能的呼声日益高涨。建筑节能的政策， 把木门窗又推到了市场的前端。据相关资料显示，我国外窗能耗是发达国家的1 5 - 2 2 倍，门窗空气泄漏率为发达国家的3 6 倍。门窗作为建筑最为重要的一部分，其面积占整 个建筑物建筑面积的2 0 3 0 9 6 。但其能量损失却占到5 1 。我国在建筑物保温性能上与发达 国家相比，外窗能耗是发达国家的2 2 倍。由此，专家指出，门窗节能是提高我国建筑节能 的关键【2 】。 无论是国外欧式木窗还是国内仿欧式风格的木窗，其基材结构大都采用集成材，同时采 用高档的保温节能中空玻璃及高档密封胶条。由于中空玻璃具有隔热、隔音功能，制作时单 片可以选用镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃，使其同时具有功能性和装饰性。因此，欧式木 窗具有密封性好、承重能力强、不上霜和保温性好等优点，另外欧式木窗质量优良、价格低 廉，完全可以作为高档实木产品和塑钢窗产品的替代品【3 4 】。 1 2 国内数控开榫技术的现状及发展趋势 数控技术是机械学、电子学、计算机技术及其相关技术的综合，在开榫加工中利用数控 技术可以使开榫的自动化程度和加工能力大幅度地提高。我国的数控技术是1 9 5 8 年开始研 究的，1 9 6 5 年北京第一机床厂开始生产三坐标的数控铣床。到二十世纪的六十年代和七十 年代，我国的数控机床有了很大的发展，1 9 7 2 年，清华大学研制成功了集成电路数控系 东北林业人学颂上学位论文 统，到1 9 7 9 年，我国的数控机床已经达到了4 1 0 0 多台。但是在木工机床方面，数控机床的 发展非常缓慢，直到1 9 9 6 年，牡丹江木工机床厂才研制成功四轴数控镂铣机，开始了我国 数控木工机床的生产。在短短几年内，我国数控木工机床的进展也十分迅速，小型的数控木 工机床已经处于普及形势，但是数控开榫机一直是我国的空白。在开榫机的研制过程中，绥 化机床厂在1 9 9 5 年生产了仿台m x 4 0 1 5 横向开榫机，这款开榫机在国内迅速地普及，到 1 9 9 9 年，青岛木工机械制造总公司在系统研究国外产品及分析国内产品的基础上，研制出 m x b 3 5 1 2 梳齿榫开榫机，并通过技术鉴定【5 j 。 当前国产数控机床产业面临的最大挑战是：1 ) 国产数控机床国内市场占有率低。造成这 样严峻的形势，除客观原因外，主要还是产品质量、可靠性和服务不过硬。2 ) 我国加入 w t o 后，势必有更多的数控机床外商进入我国，其技术优势，再加上利用我国优秀人才和 “本地化 使我国市场份额的争夺将更为激烈。目前国内的木工机械行业并没有将数控技术 普遍应用于开榫技术中，因而现有的开榫技术很难满足工业化生产的需要。我国数控开榫技 术由于一直没有得到成熟的发展，因此，我们还没有能够实现数控开榫技术的实验室技术， 更谈不上工业化技术。在国家“十五”攻关的资助下，我国在中国林科院木材工业研究所和 东北林业大学的协同攻关下，研制成功了第一台国内数控开榫机( 图1 1 ) ，从而我国的数 控开榫机缩短了与国际先进水平的距离1 6 j 。 图1 - - 1 国内首台数控开榫机 进入2 l 世纪我国家具制造业的迅速崛起有力地带动了与其唇齿相依的木工机械行业的 迅猛发展，加上数控技术的不断提高，我国在木工开榫行业也取得了长足的进步。各大木工 机械厂家相继推出了各自的开榫机，如m d l 5 2 5 圆榫开榫机( 图l - - 2 ) 、m x 2 11 0 锯片开榫机 ( 图l 一3 ) 等。 l 绪论 图1 - - 2 m d l 5 2 5 圆榫开榫机图1 - - 3m x 2 1 1 0 锯片开榫机 日前，由广东新马木工机械设备有限公司自主研发的m s z 2 0 0 0 数控自动开榫机床( 图l - 4 ) ，领先国内同类产品技术，填补了国内同类产品空白。新马木工机械设备有限公司开发 的m s z 2 0 0 0 自动开榫机床较之前述丌榫设备，具有众多优点。一是自动送料，安全系数高。 二是采用数控技术，工人只需输入相关数据就行，自动化程度高。三是开榫的范围广，可开 j 下方型、长方型、腰圆型、圆型等各种形状的榫。四是摒弃了传统的“五锯开榫法 ，采用 双刀具旋转削切开榫，一次成型、工作效率大大提升，工人的劳动强度则同时下降川。 图1 - 4m s z 2 0 0 0 数控自动开榫机床 这些丌榫机的研究，丰富了我国开榫机的生产，但是，我国开榫机的整体水平还处于传 统丌榫机的定型加工和仿型加工，没有真j 下进入到数控加工的时代。针对不同的榫形都要设 计不同的开榫机，如果一个加工厂要上齐全部的开榫机往往需要几十万元，而每改换一个榫 形，往往又要制造很多的模具和夹具，因此，开榫技术的数控化已经成为我国家具行业、门 窗制造行业以及其它行业迫切需要的关键技术。 1 3 国外数控开榫技术的现状及发展趋势 数控技术给机械制造业带来了显著的经济效益及广阔的发展前景，已成为衡量一个国家 制造业水平的重要标志之一。所有技术先进的国家，都非常重视数控技术的研究，国外的实 木开榫机的研究在近十年中有了一定的进展，其中，德国的数控开榫机已经开始进行了产业 化，而且在实木开榫机上已经能够实现各种榫形的加工。意大利，台湾都有数控实木开榫机 东北林业大学硕上学位论文 的产品。而实木开榫机实际上相当于是一个卧式的加工中一t l , ，它在开榫机上可以按照要求设 计各种各样的榫形，而且实现迅速地数控加工，这样的开榫机在实际生产中是非常有用的， 特别是在家具的试制过程中，能够大大加快设计的步伐。在小批量生产中，也可以用于实际 的生产。 目前，数控木工机床在国外家具加工企业得到越来越广泛的应用。据德国一家公司对德 国家具加工企业的一项调查结果表明，自动化设备装备率，1 9 9 0 年同1 9 8 0 年相比较，其中 机械化占6 0 8 0 ，电气化占1 0 0 - - 2 0 ，数控化占1 0 - - 2 0 。到1 9 9 5 年数控化机 床占有率增长到2 0 - - 3 0 。据有关部门对美国较有影响的10 4 家家具加工企业的调查结 果表明，使用木工机床的企业已占4 3 ；计划在近两年内使用数控木工机床的企业占3 5 4 2 ；采用s p e 技术的企业占4 3 ；购置带s p c 技术的数控木工机床的企业占4 4 。 美国家具加工企业对各类先进技术装备的采用率达5 - - - 6 0 ，其中，宽带砂光机采用率为 6 0 ，计算机数控装置为3 0 ，电子胶封系统采用率为2 9 ，压花新工艺采用率为2 3 ， 计算机辅助设计采用率为1 9 ，条形码采用率为8 ，自动化横截系统采用率为7 ，计算 机控制的干燥窑采用率为5 ，静电式表面加工设备采用率为5 。由此看来，计算机数控 技术在家具加工企业和木材加工行业将会得到迅猛的发展嗍。 特别是近几年国际上又推出了串行总线控制技术，有关专家预测，在未来几年内，串行 总线技术将控制整个总线系统。因此，国外的开榫技术由于计算机技术的支持，它的发展在 实践中是相当快的【9 】。 1 4 木工机械开榫原理 在木材加工中，我们应用于开榫的方式一般为直齿圆柱铣削和斜齿圆柱铣削，直齿圆 柱铣削是最基本、最简单，也是应用最广的一类铣削类型。我们将以直齿圆柱铣削类型为 主，分析其运动学原理。 1 4 1 直齿圆柱铣削运动轨迹 在铣榫的过程中，刀具绕主轴o 。以等速作回转运动，称为主运动，速度以v ( m s ) 表 示；工件相对铣刀的运动称为进给运动，速度以u 表示( m m i n ) 。而整个切削运动可以看作 主运动与进给运动的合成运动，其速度为上述两个速度的矢量和。如果我们假定进给运动为 等速直线运动，则切削运动的轨迹从理论上可认为是摆线。铣榫时多为逆铣，所以我们分析 逆铣时的运动轨迹n “。图1 5 为逆铣时切削轨迹的简图。 v 图l 一5 逆铣时切削勒迹的简图 4 图卜5 所示的直角坐标系中，切削轨迹任意点的方程为： x ：d s i n 缈+ 丝妒 ( 1 1 ) 2s 。 】，= 等( 1 一c o s ) ( 1 - 2 ) 其中： 喊刀直径( 姗) ； 缈- 铣刀齿的转角( o ) ； u z 每齿进给量( 砌) ； 相邻两个刀齿所夹的中心角( o ) 。 顺铣时，关于y 的方程式为“一，计算时可以用主运动速度来代替切削运动速度，为了 简化，以圆弧来代替摆线作为切削运动的轨迹n 明。 1 4 2 开榫要素 ( 1 ) 开榫的主切削速度v ( m s ) ：我们在开榫时，铣刀转速为n - 9 0 0 0 r m i n ，铣刀 直径d = 1 0 n m m ( 2 ) 开榫时的进给速度u ( m m i n ) ：铣削时由齿条带动的工作台的进给速度u 是指每 分钟的进给量，平均速度为0 1 m s ，我们用三个齿的榫眼铣刀，即n = 3 时： ( 3 ) 开榫深度h ( r a m ) ：已加工表面和待加工表面的垂直距离称为铣削深度。铣削多 排榫眼时为多次进刀( 进刀x 次) ，当榫总深度为1 时，每次平均开榫深度h = l x ，合理确 定开榫深度有利于提高加工质量。 ( 4 ) 开榫宽度b ( m ) ：是垂直于开榫刀前进方向度量的已加工表面的尺寸。在开式 直榫铣削时，铣削宽度和削片宽度相等，而这个尺寸一般由定尺寸刀具的尺寸决定。 ( 5 ) 开榫接触弧长1 ( m ) 和开榫时的接触角缈。( 。) ：开榫时铣刀与榫型毛坯在主 截面的接触孤称为接触弧，接触孤所对的中心角为接触角。铣直榫时，铣刀直径d = 1 5 0 n n n ， 铣削深度平均为4 0 m m 。 ( 6 ) 开榫时切屑厚度a ( 哪) ：逆铣时，刀齿刚接触木材时，a = 0 ，而刀齿离开木材 的瞬间，切屑厚度为a 一，顺铣时隋况正好相反。铣削时，随刀齿切入工件的位置不同，切 削厚度是变化的，当铣刀齿的瞬时转角为0 时，瞬时切屑厚度为：a - - u z s i n0 ( m ) 切屑的平均厚度为：= u ：s i n 气= 址s i n 0 2 0 = 址去( m m ) 切屑的最大厚度为：口一= u z s i n o o = 2 址告= 2 a v ( m m ) ( 7 ) 开榫切屑横断面积a ( i 姗2 ) ：因为切屑厚度是变化的，宽度为b ，所以切屑横断 面积也是变化的。 a = a b = u ，s i n o b ( m m 2 ) ( 1 - 3 ) 东北林业人学颐上学位论文 ( 8 ) 运动遇角e 和动力遇角1 i ，：切削速度与进给速度之问的夹角称为运动遇角。切削 速度与木材纤维之间的夹角称为动力遇角【1 3 4 1 。 1 5 开榫铣刀简介 铣刀是在圆柱体、圆锥体、特形回转体或端面上做出或装上一些刀齿，相当于一些基本 切刀的组合。它是木材切削加工中种类最多、应用很广的一类刀具，被广泛应用在以铣削方 式工作的各类机床上，平铣或成形铣削直线或曲线工件，铣削各种榫头、开槽、打眼等。铣 刀是切削效率很高的多刃刀到1 1 】【1 5 1 。 ( 1 ) 装配式开榫铣刀 装配式开榫铣刀一般分为以下两种： a 刀片直装的直角榫铣刀：这种铣刀的特点是刀刃平行于铣刀的旋转轴线，并在刀体 端面上装有2 3 片割刀，割刀刀刃突出主切削刃0 5 一o 8 m m ，以便先于主切削刃割断木材 纤维。割刀采用不重磨刀片，4 个切削刃可以转位使用，开榫刀也是不重磨刀片，一边磨钝 后，调转1 8 0 。再用。 b 刀片斜装的直角框榫铣刀：这种铣刀的主刃相对铣刀旋转轴线倾斜一个入角度，以 改善切削时的受力条件和提高开榫质量。 ( 2 ) 柄铣刀 柄铣刀结构如图卜6 所示。柄铣刀侧面的刀刃称为主刃或侧刃，端面的刀刃称为端刃。 根据齿背型式，柄铣刀分为铲齿的，尖齿的和非铲齿的三大类：根据切削部分的形状，柄铣 刀又可分为圆柱形的、梯形( 燕尾形) 的和成形的；按照刃口配置，柄铣刀又有直齿和螺旋 齿两类。在铣榫过程中，柄铣刀主要用来加工榫眼，工作过程包括铣刀的钻进和纵向进给。 此外，柄铣刀可以做成整体的，也可以做成装配的。当直径d 1 5 m m 时，柄铣刀多为三齿。 图l 石柄铣刀 ( 3 ) 指榫铣刀 指榫纵向接长是充分利用木材原料的一种方法，广泛用于建筑木制品、门窗、地板和家 具的板件、框架等。指榫铣刀有单片组合和多刀组合两种，刀片镶焊高速钢或硬质合金。按 l 绪论 照齿形的结构和尺寸，指接铣刀可分为微形指榫铣刀和巨型指榫铣刀两种。 ( 4 ) 双齿榫槽铣刀 在铣床上开直角箱榫，广泛采用双齿钩形( s 形) 铣刀双齿榫槽铣刀。这种铣刀制 造简单，节省材料。切削直径一般为1 4 0 - - 2 5 0 m m ：刃口宽度取决于加工要求，一般为4 1 2 n - f i l l ；角度参数取决于被加工材料，其值在下列范围内：后角q = 1 5 。- - 2 0 。：前角y = 2 5 。 - - 3 0 。；楔角b = 6 0 。- - 6 5 。 ( 5 ) 复合榫头铣刀 复合榫头铣刀是在圆柱形铣刀上套装一个可移动调节的锯片。根据加工需要，可以在圆 柱铣刀上移动锯片位置，以获得所需木制品榫头的长度尺寸。 1 6 课题来源及研究内容 本课题来源于东北林业大学林业与木工机械工程中心承担的黑龙江省科技攻关项目： “普及型欧式木窗数控加工生产线”。作为其中的一项基本内容，本文主要研究“欧式木窗暗 斜榫数控加工设备及仿真研究”。 本文主要研究以下几个方面的内容： ( 1 ) 新型欧式木窗暗斜榫结构； ( 2 ) 暗斜榫数学理论模型和加工工艺； ( 3 ) 欧式木窗暗斜榫数控加工设备； ( 4 ) 用p r o e 软件模拟仿真欧式木窗暗斜榫加工过程。 东北林业大学硕士学位论文 2 木窗连接榫型的分析 2 1 传统木窗和欧式木窗的对比分析 传统木窗的加工过程很简单，型材没有固定的标准。一般都是根据用户自己的要求加工 出所需要的毛料，然后经过手刨或者是电刨把尺寸刨到自己需要的尺寸，然后根据窗户的设 计大小，把每根料锯成所需要的尺寸。在接合之前，不论窗框和窗扇都要进行裁口处理，窗 框裁口是为了能使窗扇与窗框有一定的密封性能。窗扇进行裁口是为了安装玻璃。这些工作 一般都采用人工的方法来完成。 传统木窗存在很多缺陷，最重要的是密封不好，因为没有采取密封措施，在春天的时候 使灰尘很容易进入室内，在冬天的时候，尤其是在北方，保温性能很差。另外是传统木窗都 是采用单层玻璃，这主要是影响它的保温性能。如果想提高保温性能，一般是采用两套窗 户，中间间隔2 0 厘米左右，这样既占据了空间又浪费了大量的木材。还有一个缺陷就是外 观不美，因为传统木窗多采用手工加工，使产品精度大大降低。在油漆方面多采用普通的硝 基漆，其漆膜手感不好，效果不理想，时间久了易产生脱落，发生变色等问题。( 图2 1 ) 图2 1 传统木窗 欧式木窗是利用集成材生产的具有中空玻璃形式的木窗( 图2 2 ) 。该木窗具有其他窗材 无法比拟的性能，它有良好的封密性、保温性、防噪声性，而且永不变形。欧式木窗使用的 原料并非简单的原始木材，而是经过多项高新技术工艺处理后的集成材。该木窗外涂的是进 口的p u 聚脂漆，一般用于汽车，具有优异的理化性能，耐酸、耐碱和盐水，即在4 0 到 + 5 0 。c 的温差下，漆膜也不会开裂和起皮；即使受到大剂量的紫外线照射，也不会褪色、褪 光。哈尔滨森鹰窗业有限公司在全套引进德国先进木窗生产设备和技术基础上，已经成功地 开发了新一代产品森鹰集成木窗。欧式木窗能够满足人们的需要，但是从我国目前的状 况来看，全套引进德国先进的木窗生产线费用太大，目前我国的木窗加工企业几乎不能全套 引进德国的设备，而且生产出来的产品价格太高，很难让广大的工薪阶层消费者接受，因 此，要想在短时期内在中国普及欧式木窗，有相当大的难度【1 6 1 。 2 木窗连接榫型的分析 图2 2 欧式木面 2 1 2 木窗联接榫形的分析 传统木窗的连接方式多采用直角接合的方式。因为榫的构造较简单，便于生产加工，一 般是通过人工加工出榫头和榫槽。榫接合就是将榫头压入榫眼或榫槽内，把两个零件连接起 来的一种接合方式。榫接合是中国传统家具及木构建筑常用的结构形式，具有连接稳固、适 应性强、外表整洁美观等特点。它是通过木构件之间的突出物与孔洞相互穿插，在穿插中产 生咬合力而形成一定的结构物。每一个榫接合结构中一般总是由榫头和榫眼两个相对应的单 元匹配接合而成。榫接合从外观上来说包含直角接合、斜角接合、十字形、丁字形接合、弯 形接合及字形接合等。直角接合指构件之间直角相交的接合形式，榫的构造较简单；斜角接 合指榫接处的外观作斜角处理，一般作成4 5 。的斜角，斜角接合外形美观，但制作难度较 高；十字形接合指两个或三个构件在某一构件的中部处接合，在外观上有直角与斜角相交两 种；弯形接合指两根弯曲构件以弧形状态相接合，常用于圆弧形的构件上，如圆形门窗、圆 形家具等【1 7 1 8 1 。 2 2 1 木窗榫形的分类 木窗的榫型很多，按榫头的基本形状不同，可将榫分为：直角榫( 图2 3 ) 、燕尾榫( 图 2 _ 4 ) 、圆( 棒) 榫( 图2 5 ) 、椭圆榫和片榫等。按榫头的数目多少又可分为单榫、双榫、 多榫。根据榫头与方材之间是否分离，可分为整体榫与插入榫。整体榫是直接在方材零件上 加工而成的，如：直角榫、燕尾榫、椭圆榫，而插入榫与零件是分离的，不是一个整体，单 独加工后再装入榫棒预制孔或槽中，如：圆( 棒) 榫( 图2 6 ) 。按榫头与榫孔接合分为：贯 通榫、不贯通榫、开口榫、闭口榫、半闭口榫。按榫肩形状分：单肩榫、双肩榫、截肩榫、 四面肩榫、中间夹口榫、斜肩槲w j 。 东北林业大学硕七学位论文 国岛 国固日 图2 - 5 圆( 棒) 榫 2 - 2 - 2 直榫的分类方法 岛国 田卿囱 直榫是榫头的榫肩和榫舌互成9 0 。角。框架结构的木制品大都采用直角榫接合，如门 窗、桌椅、活动房屋盖扇、墙扇内边框等。 按榫头的数目多少可分为单榫、双榫、多榫。根据榫头与方材之间是否分离，可分为 整体榫与插入榫。整体榫是直接在方材零件上加工而成的，而插入榫与零件是分离的，不是 一个整体，单独加工后再装入榫棒预制孔或槽中。 2 - 2 - 3 斜榫的分类方法 斜榫顾名思义就是榫头与榫肩不成9 0 。角而倾斜一定的角度，通常显示为燕尾榫。榫 舌呈梯形或半锥形，制作较复杂。一般用于包装箱、框式家具的框角接合，抽屉角的接合。 由于榫端大面榫的根部小，装入榫孔后不易退出，接合牢固，但由于主要受力面是榫颊。所 以，榫颊与榫肩的倾斜度不得大于1 0 。榫根部厚度约为工件厚度的1 3 。过大时，榫头的 斜边部分容易发生剪切破坏【2 4 】。 2 3 欧式木窗的榫形分析 欧式木窗的接合形式属于框架角部榫接合，有很多种，根据结构的要求，一般采用直角 接合和斜角接合两种接合方式。 2 3 1 欧式木窗的直角接合方式 目前欧式木窗的角部接合方式多采用直角接合，这种接合方式的优点是接触面积大，接 合强度高，缺点是加工时消耗的功率大，外观不美观。并且加工刀具需要根据实木窗榫形、 纵向内外廓形和设备类型，合理制定刀具布置方案，计算及设计刀具，才能满足加工要求。 如图2 7 是欧式木窗i v 6 8 实木窗窗框零件端部榫型【2 0 】。 2 木窗连接榫型的分析 麽匦霹k j j k , ia 区匦 横档竖档上竖档下中挺下中挺上垫高料 图2 - 7i v 6 8 实木窗窗框零件端部榫型 如图2 8 是欧式木窗i v 6 8 实木窗窗扇零件端部榫型。 霹匪 图2 - 8i v 6 8 实木窗窗扇零件端部榫型 如图2 - 9 是欧式木窗窗框直角接合榫的立体图。 图2 - 9 直角接合榫 2 3 2 欧式木窗的斜角接合方式 斜角榫接合结构，是将两根接合的方材端部或双侧榫肩切成4 5 。斜角或单肩切成4 5 。 斜角后，再进行接合。它可以避免直角接合的缺点，遮住不易加工、不易装饰的方材端部， 装配后的方材的周边都是纵向纹理，即使单面斜角接合，也能使装饰表面获得美观的格角形 状。 在木结构设计中，木框角部斜角接合是人们既关注又无法回避的问题。就斜角接合而 言，其接合方式是多种多样的，且各有优缺点，几种易于机械加工的主要分为单肩斜角明榫 ( 图2 一1 0 ) ，单肩斜角插入圆榫( 图2 1 1 ) ，斜角插入圆榫( 图2 一1 2 ) ，斜角插入条榫( 图2 一1 3 ) 等等。其接合方式直接影响到产品的整体强度、稳定性，涉及加工工艺以及产品的造型。所 以，木框角部斜角接合性能在实木产品结构设计中具有一定的意义比。 东北林业大学硕十学位论文 图2 1 0 单肩斜角明榫图2 1 1 单肩斜角插入圆榫 图2 1 2 斜角插入圆榫图2 1 3 斜角插入条榫 欧式木窗的榫型也有很多采用斜角榫的接合方式，如图( 2 - 1 4 ) 是东北林业大学设计的 梯形活动榫头欧式木窗。根据榫头形状还可有椭圆形，圆形、矩形等形状。这种榫形的接合 方式属于斜角接合，连接部分采用暗榫联接，窗框条、窗扇条的连接端面均为榫眼，用另外 制造的榫头夹在两个联接件的榫眼之间，然后加胶压合或不加胶压合而制成。斜角榫接合属 于角部斜角接合，研究结果表明，角部斜角接合的整体结构性能不次于直角接合【2 1 1 。另外 欧式木窗的榫型也多采用暗榫的接合方式，所以欧式木窗榫型的特点有： ( 1 ) 外形美观，结构紧凑； ( 2 ) 接合强度高，不易分离； ( 3 ) 在榫眼的结构上易于采用数控加工。 图2 1 4 梯形榫头欧式木窗斜角榫 2 4 欧式木窗暗斜榫 为保证榫结合在木窗结构中有很好的强度，使得木窗经久耐用，就必须在结构设计与节 2 木面连接样型的分析 点设计时进行科学的计算与评估，也就是说一件好的木窗，是技术与艺术的接合。下面分别 对榫头的长度、厚度、宽度进行分析吲。 非贯通榫连接时，般的榫头长度要小于榫眼深度卜2 咖，这样装配时，可以防止由于 加工时的误差使榫头顶靠到榫眼底部，形成装配的间隙误差。当榫头的长度在1 5 3 5 r n 之间 时，其抗拉、抗剪强度随着长度的加长而提高。 榫头的厚度常按照方材的断面尺寸而定，为了确保接合强度，单榫榫头的厚度一般为方 材厚度或宽度的二分之一，当方材的断面尺寸大于4 0 m x4 0 m 时，应采用双榫头或多榫头 接合，榫头的总厚度应大于方材断面尺寸的三分之一或二分之一。 榫头的厚度一般要小于榫眼宽度o 卜0 2 唧，这样的榫接合，其抗拉强度最大。当采用 开口榫接合时，榫头的宽度应与连接的榫槽同宽；当采用闭口榫接合时，榫头的宽度一般要 比榫眼的长度大0 5 - 1 r i m ，普通规格的硬材取0 5 哪，而软材取1 姗，这样接合的强度最 大，榫眼也不会被胀破：当采用截肩榫时，其截肩部分一般为方材宽度的三分之一或常取 l o - 1 5 珊n z 3 - 2 4 。 本文在分析传统木窗和欧式木窗榫型的基础上，综合欧式木窗窗框外形，提出了一种全 新的欧式木窗的榫型培斜榫。它既保证了外形美观和接合强度又极大的降低了加工所消 耗的功率。图2 - 1 5 为新型的欧式木窗暗斜榫，根据以上的设计原则和经验，窗框的断面尺 寸大于4 0 珊n 4 0 m 我们设计了双榫头，榫头厚度均为9 8 m ，长度为2 0 m 、1 5 r a m ，宽度为 5 0 r a m 、3 0 m ，相对应的榫眼宽l o n m ，深2 1 i n 、1 6 r m ，长4 9 5 m m 、2 9 5 m 。它在外观上是斜 榫但是内部榫头和榫肩又呈9 0 。所以兼有暗斜榫和直榫的优点。 图2 1 5 斜角接合晤榫 2 5 本章小结 本章对比分析了传统木窗和欧式木窗的优缺点，并对木窗的榫连接方式进行了分类总 结，重点介绍了直榫的分类方式。对现有欧式木窗的榫型进行对比分析，多为直角接合的直 榫，这种榫型虽然接合强度高但是不美观，且加工时消耗功率大。针对这样的情况，由此引 出我们设计的新型欧式木窗暗斜榫结构，该结构在保证榫接合强度的基础上兼顾了外形美观 和加工时所消耗的功率。 东北林业大学硕十学位论文 3 欧式木窗暗斜榫形状的数学描述理论研究 欧式木窗暗斜榫从外观上看为暗榫，表面有4 5 。斜缝，但从内部看榫头与榫肩呈9 0 度 所以实质是直榫形状和直榫有很大的相似性。本章从直榫材形状尺寸的数学描述入手提出欧 式木窗暗斜榫的数学描述理论。 3 1 直榫材形状尺寸的数学描述理论 通常定义两个主面是平行的木榫为直榫。 3 1 1 直榫的数学描述 首先建立坐标系：如图3 1 所示，将木榫的主方向设为z 向，另外两方向为x 方向和y 方 向，木榫的宽度相对于x - z 平面对称，木榫的厚度相对于y - z 平面对称，整个榫头呈长方体结 构，作为直榫的加工方向是在x - y 平面内，则由此可以建立直榫的数学描述： f g ，y ，z ) - - 0 z l ( 3 - 1 ) 式中：峭榫的长度 h 一木榫的厚度 b 木榫的宽度 ) 【- 一木榫厚度方向的变量 耐榫宽度方向的变量 z 一木榫长度方向的变量 在直榫的加工范围内的直榫数学描述都满足加工的工艺要求，铣刀包络的轨迹则是形成 合格产品的边界。 vl，瞳j ，卜_，一 2 h x r 一 2 图3 3 圆头直榫榫眼的数学描述 ( 3 3 ) 式构成了理想圆头榫眼的包络空间，该式为三个平面和两个圆弧面包络形成的 圆头木榫榫眼数学描述。圆头直榫榫眼是标准化的，榫眼的加工相对简单。由于加工圆头直 榫榫槽铣刀是标准件，刀具加工的包络轨迹形成也可以建立相应的模型。在圆头直榫的榫眼 加工时，这种圆头直榫的榫眼数控加工主要是定出h 的长度，由宽度b 定出刀具的直径， 由长度l 定出进刀的深度，通过模型建立h 、b 、l 、r 和定位尺寸的关系，该模型为对称结 构模型，对于非对称和特殊非标准的榫眼可以参考它的理论进行修改1 2 9 j 。本文就是参照该 对称模型提出了暗斜榫的数学模型。 圆头直榫作为一种在木制品加工中常见的连接方式，它有着非常普遍的应用，这种榫型 ，3 3，l r 一 日一2 一 x r 一， i x 一一，汗+ y 2 r 2 东北林业大学硕七学位论文 = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = ! ! = ! = = 詈= = = = ! m二= ；i = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = 式中：州斜榫榫眼的长度 畔斜榫榫眼厚度 日| - 培斜榫榫眼宽度 r 暗斜榫榫眼的圆弧半径 x 暗斜榫榫眼厚度方向的变量 y 暗斜榫榫眼宽度方向的变量 z 暗斜榫榫眼长度方向的变量 z 图3 - 5 暗斜榫榫眼的数学描述 在暗斜榫的榫眼加工时，这种暗斜榫的榫眼数控加工主要是定出h 的长度，由宽度b 定出刀具的直径，由长度l 定出进刀的深度，通过模型建立h 、b 、l 、r 和定位尺寸的关 系。由于这种暗斜榫在实际上和上面所说的圆头直榫很相似，本文参照对称的圆头直榫模型 建立了暗斜榫榫眼数学模型。( 3 5 ) 式构成了理想圆头榫眼的包络空间，该式为三个平面、 一个斜面和一个圆弧面包络形成的圆头暗斜榫榫眼数学描述。圆头直榫榫眼是标准化的，榫 眼的加工相对简单。由于加工圆头直榫榫槽铣刀是标准件，刀具加工的包络轨迹形成也可以 建立相应的模型【3 。 采用数控加工的方法，利用数学描述f ( x ，y ，z ) 建立圆头暗斜榫木榫及榫眼数控加 工的软件，在一台机床上j j h i 出各种规格的圆头木榫榫眼是本文研究的最终目标。 3 4 本章小结 直榫作为在最典型的榫型具有易加工性且应用广泛，本章在分析圆头直榫和圆头直榫榫 眼的数学理论模型的基础上提出了新型欧式木窗暗斜榫榫头和榫眼的数学理论模型。该数学 模型的建立不仅丰富了家具、门窗行业的榫数学理论而且为后人的研究和榫数控加工提供理 论依据。 4 欧式木窗暗斜榫数控加工工艺的确定 4 欧式木窗暗斜榫数控加工工艺的确定 欧式木窗暗斜榫的榫型很特别，是榫头和榫眼的结合，外观上有斜榫的特点，实际又和 直榫相似。如果用手工加工，不但效率很低，无法产生很好的经济效益，而且精度也不容易 保证。所以，我们利用数控技术加工欧式木窗的榫型，利用三相异步电动机带动铣刀铣榫， 以步进电机脉冲方式控制机床各轴的进给运动。 当选择某一个零部件进行数控加工时，并不等于将零件所有的加工内容全部由数控机床 加工。因此必须对零件进行工艺分析，选择适合进行数控加工的内容和工序，以充分发挥数 控加工的优势。数控加工的工艺路线设计是加工工艺过程的概括，包括工艺划分、加工顺序 安排及数控加工与通用机床加工的衔接等内容。当数控加工工艺路线设计完成后，各道工序 的加工内容基本确定，接下来是工序设计。工序设计的主要任务是把各道工序的加工内容、 加工用量、工艺装备、定位方式和刀具的运动轨迹具体确定下来，为编制程序做准备网。 加工顺序，又称工序，通常包括切削加工工序和辅助工序等，工序安排得科学与否将直 接影响到工件的加工质量、生产率和加工成本。零件图样是设计工序安排的依据，应仔细分 析、研究零件图样，然后进行细致的工艺安排，为后续工艺设计的各个环节打下必要的基 础。 4 1 欧式木窗暗斜榫榫眼加工工艺 零件图样是工序设计安排的依据，我们仔细研究暗斜榫榫眼形状后发现：每一个窗框端 面有两个榫眼、两个榫眼宽度相同、两个榫眼形状相似都有一段4 5 。斜面。为了提高加工 效率，本设备用两个主轴同时加工，即加工工艺图中的铣刀1 和2 。我们将榫眼部分的加工 分为两段工序，先加工大榫眼后加工小榫眼p 3 - 3 4 。 4 1 1 大榫眼加工工艺 图4 _ 1 是欧式木窗暗斜榫的榫眼模型图，依据此模型我们制定了以下的加工工艺。 图4 一l 暗斜榫榫眼形状 东北林业大学硕士学位论文 图铊是榫眼在笛卡尔坐标系中的视图。 a a 向视图 图铊榫眼在坐标中的视图 欧式木窗暗斜榫大榫眼加工顺序图如图4 _ 3 ： ( 1 ) 安装工件，四个工件平行如图排列，在y 方向上用四个汽缸夹紧( 此时宽的一侧 在下面) 加工端面l 。 ( 2 ) 铣刀1 进给到指定位置然后沿箭头方向加工，加工区域l 此时铣刀2 不工作如 图( a ) 。 ( 3 ) 铣刀l 和2 沿x 方向移动1 5 0 m m 铣刀1 重复动作( 2 ) ， 铣刀2 沿箭头方向运动 铣出区域2 如图 。 ( 4 ) 重复动作( 3 ) 如图( c ) 。 ( 5 ) 重复动作( 3 ) 如图( 由。 ( 6 ) 铣刀l 不加工，铣刀2 沿箭头方向运动加工出区域2 如图( e ) 。 ( b ) 4 欧式木窗暗斜榫数控加工工艺的确定 ( c ) ( d ) ( e ) 图4 3 大榫眼加工工序图 4 1 2 小榫眼加工工艺 小榫眼加工工艺和大榫眼相同，通过数控程序控制铣刀的进给量从而加工出小榫眼。 欧式木窗暗斜榫小榫眼加工顺序图如图4 _ 4 ： ( 1 ) 刀架回到初始位置上升2 8 5 m m 继续加工小榫孑l 。 ( 2 ) 铣刀1 进给到指定位置，沿箭头方向加工，此时铣刀2 不工作如图( a ) 。 ( 3 ) 铣刀l 和2 沿x 方向移动1 5 0 m m 铣刀1 重复动作( 2 ) ，铣刀2 沿箭头方向运动 铣出区域2 如图( b ) 。 ( 4 ) 重复动作( 3 ) 如图( c ) 。 ( 5 ) 重复动作( 3 ) 如图( d ) 。 ( 6 ) 铣刀1 不加工，铣刀2 沿箭头方向运动加工出区域2 如图( e ) 。 ( a )( b ) 东北林业大学硕士学位论文 ( c ) ( d ) ( e ) 图4 4 小榫眼加工顺序图 4 2 欧式木窗暗斜榫榫头加工工艺 观察欧式木窗暗斜榫榫头的形状( 图4 - 5 ) ，我们发现榫头的加工相对于榫孑l 有一定难 度。因为加工榫眼时，铣刀的直径和榫眼宽度相同，一刀