（机械设计及理论专业论文）欧式木窗生产线专用推台铣床设计及理论研究.pdf

摘要 在我国提倡木制产品高效利用的今天，木制产品的高利润将会给木业发展带来活 力，欧式木窗是附加值较高的产品。本文从欧式木窗的生产实际出发，通过在实践中的 调研，设计制造了带有大型推台的专用推台铣床。该设备可将窗扇整体组扇后铣削成 型，使欧式木窗在工艺上得以变革。 本文所设计的欧式木窗以生产成本最小化，产品设计质量最优化，生产效率最高化 为目的。通过考察研究设计出木窗截面的切削成型形状，计算了该形铣削功和铣削功 率，进而确定设备的总功率。总结了专用推台铣床铣削原理和机械结构，设计并制造出 适用于欧式木窗的专用推台铣床设备，使欧式木窗在加工工艺上有了进一步的发展，特 别是在窗扇的铣削上可以整体周边铣削成型，从根本上解决了木窗结合部分的精度，提 高了欧式木窟的产品质量，从而向该产品的产业化迈进了一步。 本文中推台铣床主轴转速达5 7 8 0 r m i n ，为了考察其运转时的固有频率和谐响应特 性，对主轴部件做了动力学分析，确定该主轴为刚性转子，并阐述了为提高主轴动态性 能提出的几点措施。然后对该轴系进行动平衡试验，以保证表面质量和工作安全。 关键词木窗；普及型：推台铣；设计 a b s t r a c t n o w a d a y si ti sa d v o c a t e dt h a tw o o dp r o d u c t ss h o u l db eu s e di n1 1 i 曲e f f i c i e n c yi no u r c o u n t r y , f o rh i g hp r o f i t sw i t hw o o dp r o d u c t sw i l lm a k ew o o di n d u s t r yv i t a l ，e u r o p e a nt y p e w o o d e nw i n d o wi sak i n do fw o o dp r o d u c t sw h i c hh a sh i g ha d d i t i o n a lv a l u e t h i sp a p e rb a s e d o nt h ep r a c t i c eo fe u r o p e a nt y p ew o o d e nw i n d o w , w ed e s i g n e da n dm a d et h es l i d e t a b l em i l l e r f o rs p e c i a l - p u r p o s e t h ed e v i c ep r o c e s s e st h ew h o l ea f t e rm a k i n gt h ec a s e m e n t sc o m b i n e d w h i c hi sj u s tt h er e f o r m a t i o ni nt h et e c h n i c so ft h ee u r o p e a nt y p ew o o d e nw i n d o w t h ep a p e rm i n i m i z e st h ec o s to fp r o d u c t ，m a k et h ep r o d u c td e s i g nq u a l i t ys u p r e m e ， p r o d u c i n ge f f i c i e n t l y b yr e s e a r c h i n gt h ep r o c e s ss h a p eo fw o o dw i n d o w , c a l c u l a t et h ep o w e r ， a n da s s u r et h et o t a lp o w e ro ft h ed e v i c e ，i ts u m m a r i z e st h et h e o r ya n dt h es t r u c t u r eo ft h e s p e c i a l p u r p o s es l i d e - t a b l em i l l e r , d e s i g na n dp r o d u c et h es p e c i a l p u r p o s es l i d e - t a b l em i l l e rf o r t h ep o p u l a re u r o p e a nt y p ew o o d e nw i n d o w , i m p r o v et h ep r o d u c et e c h n i c so ft h ep o p u l a r e u r o p e a n - s t y l ew o o d e nw i n d o w , s p e c i a l l yi nt h em i l l i n go f t h ew i n d o w s ，i m p r o v et h ep r e c i s i o n a n dq u a l i t y , a n dp u t st h ef i r s ts t e pf o ri n d u s t r i a l i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ev e l o c i t yo ft h em a i ns h a f ti su pt o5 7 8 0 r m i n i no r d e rt oe x a m i n et h e i n h e r e n tr u n n i n gf r e q u e n c ya n dh u m o r o u sr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e ra n a i y z e st h ep a r t o ft h em a i ns h a f ti nd y n a m i c s ，m a k es u r et h em a i ns h a f ti sr i g i d i t yr o t o la n de x p a t i a t es o m e m e a s u r e st oi m p r o v ed y n a m i cc h a r a c t e r so fm a i ns h a f t t h e ni tt e s t st h ei n e r t i ab a l a n c ef o r t h e s u r f a c eq u a l i t ya n ds a f ei nw o r k i n g k e y w o r d s w o o d e nw i n d o w ；p o p u l a r ；s l i d e - t a b l em i l l e r ；d e s i g n 1 绪论 随着人们生活水平的不断提高，对绿色消费和唯美的欧式风情以及典雅风格的居住 环境是当代人们追求的时尚，新型木窗无疑将给人们带来全新的选择。目前，由于人们 对绿色消费、回归自然和古朴典雅生活空间的需求日益巨增，高档欧式木窗以其独具匠 心的优越性，受到了消费者的欢迎。然而，对于广大工薪阶层来讲，高档欧式木窗的高 昂价格只能让他们望而却步。面对这种情况，普及型欧式木窗的出现，必然给广大工薪 阶层的居室装修需求带来一个全新的时尚理念。 从窗的制作材料历史变化来看，由木材开始，经历了到钢材、铝合金、塑钢等这 些历程。一直以来木材在窗的材料中起着举足轻重的作用。当前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1 1 j 。 人们常把温暖、舒适、耐用和美观等概念同木材联系在一起。除了它特有的那种手 感和装饰性的视觉效果，木材还具有突出的建筑物理学特性。它具有最好的隔音，隔热 性，巨大的支撑力和结实耐用的特点。这是无论其它哪种材料，都无法达到效果。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或拼方材制 成，通常采用指接材或弦，径向方材毛料作为表层和芯层材科，并在厚度上胶拼成三层 结构的集成材或拼方材，使其尺寸稳定性好吲卜“，同时采用高档的保温节能中空玻璃 ( 厚度在2 3 r m 以上) 及高档密封胶条，保温、气密、隔音性能极为优良。外观上采用 水基漆涂装，无污染可增加漆膜的附着力和光泽度。在常温下具有不开裂，耐腐蚀、抗 老化，防雨水渗透等特性。柔和细腻的漆膜，给人高贵典雅的美感。 概括地说，欧式木窗具有的特性有：保温节能性、气密性、抗风压性、隔音性、耐 腐蚀性、耐候性、绝缘性、成品尺寸精度高、稳定性好、无污染等，是绿色环保产品等 性能。 欧式木窗的外观深受人们喜爱，而且其开合形式也是多种多样的，目前投放市场的 木门窗五金系列 1 ，3 1 可实现内平开、平开上悬、外平开、推拉上悬、折叠式等开启方 式。 1 1 国内外研究的现状分析 目前，纯木制窗分为两个等级：一种为一般居民使用的普通窗；另一种为办公建筑 及高级住宅使用的新型高级窗。普通窗在目前的建筑行业中己基本被淘汰，欧式木窗是 近二三年才进入我国建筑市场的，欧式木窗不但具有其它各类窗无法比拟的保温、隔 音、防雨水渗透及抗风压性能，而且具有不变形、美观、豪华的特性，该窗特别适合于 高寒地区各类建筑用窗。因此欧式木窗具有的优越性能是其它材质窗所无法比拟的。 近几年来，随着我国国民经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，新型、环 保、高档住宅的需求在不断地增加。一方面全国各个大中型城市，尤其是沿海经济较发 东北林业大学硕士学位论文 达的地区都在不断增加高档住宅的开发；另一方面，随着我国对外开放步伐的不断加 快，高档星级宾馆的新建及改造，对于高档木窗来说具有很大的市场潜力。从1 9 9 6 年 我国着手生产高档欧式木窗起，到现在欧式木窗生产企业达几十家之多。比如1 9 9 9 年 哈尔滨亚泰实业集团公司就投资了1 2 0 0 万元，引进全套德国设备，在哈尔滨市南部王 岗镇建设了年产5 万m 2 的欧式木窗的工厂。该产品适应市场的需求，市场销路极好。 到现在为止，在黑龙江省尤其是哈尔滨市近几年来把欧式木窗做为主导产品发展起来的 就有十几家之多，比较有名的就有：哈尔滨森鹰窗业股份有限公司、华兴木业有限公 司、哈尔滨市好门面有限公司等，这些企业无一不是全套引进德国或意大利的专业实木 窗生产线，进行生产加工高档实木窗的成功企业。但是，通过进口设备生产的欧式木 窗，由于设备价格高昂致使生产成本增加，接着产品的价格也随之极大地提高。在这种 情况下，利用我们东北地区原料充足的有利条件，大力发展普及型欧式木窗具有很好的 前景。基于以上原因，研究生产我国自己的欧式木窗生产线设备具有较高的经济价值和 较好的社会效益。 在塑钢窗质量日趋下降的今天，欧式木窗技术成为发展速度最快的技术是必然的。 因为我国是世界上第一人口大国，现有人口近1 3 亿之多，并以每年净增2 0 0 0 万的规模 增长。若以人均住房面积5 6 坍2 计算，每年需增i 亿平方米的住房。现在全国大中型城 市人口住房甚是紧张，随着工业用房和商业用房等建筑不断增长，木窗在我国建筑市场 上应用的前景是十分广阔的。据统计我国近几年每年房屋竣工面积都在1 2 亿埘2 以上， 需门窗面积3 亿脚2 以上，就按照以上数字计算，则需2 0 0 0 0 个年生产能力为1 5 万平 方米的中型门窗组装厂；再加上原旧建筑物所用塑钢窗等旧窗的更换，木窗的实际需求 更尤为可观。由此可见，该项目的产业化将有广阔的市场前景，而国内的欧式木窗企业 大多都是以国外进口设备生产高档欧式木窗，与此相适应的仅是具有购买能力的高薪家 庭装修和办公写字楼、别墅用窗。 我国原有的木窗工厂主要归属林业和建材系统，目前由于产品结构陈旧，技术落 后，产品质量不高，经济效益很差，大多数处在停产的边缘。本产品应是木窗企业技术 进步的好产品”j 。 1 2 国外研究的回顾及发展趋势 应用集成材生产欧式木窗在国际上已经形成了一个新的研究方向，欧式术窗的开发 工作是瑞典科学院林业与林产品研究所的研究人员于上世纪7 0 年代开始的，申请专利 以后，先后在澳大利亚、美国、英国、北欧、德国、加拿大等国家推广。现在，德国和 意大利专业实木窗生产线，是目前该行业中性能最先进的生产线。他们采用先进的实木 窗生产技术及制造工艺生产的系列实木窗质量符合德国的d i n 标准，同时该产品具有极 佳的密封、隔音、保温性能。它以其高贵典雅的外观，变化多样的窗型，迎合现代人对 自然本色的强烈渴望，完全符合国家未来环境要求。目前该产品广泛适用于别墅、豪 宅、写字楼、大型企业等建筑上。 从欧洲市场的现状看，铝合金窗、木窗、塑窗仍将在市场上长期共存，并且将来结 合各自特点的复合材料门窗会越来越多。目前，利用集成材生产的欧式木窗在国际上的 绪论 发展已经发展成为一个新的研究方向，欧洲门窗正朝着系列化、多样化、高档化、自动 化、人文化方向发展，而且精品化、个性化意识越来越强。木窗的使用是当地追求的时 尚。所有的这一切都与木材具有大自然赋予的独特美感以及优越的材料特性是分不开 的，而且木材对生物机体的影响特性等，对提高人类居住环境质量有着重要作用。欧洲 门窗市场正逐渐成为更新改造门窗的市场，2 0 0 2 年欧洲用于更换已有建筑的旧窗占 5 7 9 ，只有4 2 1 的窗安装在新建筑上。经考察这种趋势一直持续到2 0 0 4 年时，更新 改造的市场份额达到5 9 3 。原因主要是门窗产品更新改造的周期较短，而能源成本越 来越高。 在欧洲，人们用于更换旧窗的投入很大程度上还取决于文化及经济因素。不同国家 习惯不同，如奥地利、西班牙、德国比较关注窗户的隔音和隔热性能，法国注重隔音性 能，而意大利更看中窗户的设计。另外，一些国家以优惠的税收及降低增值税的方法鼓 励更新门窗，如在意大利和法国，欧洲门窗市场到2 0 0 4 年在数量上有5 o 的增长，销 售额增长了5 9 。 在国际的建筑行业市场中，窗业市场是以铝合金、塑钢和木材三足鼎立，而木质结 构窗所占的比例不低于3 0 ，在民用住宅中的比例已经占到4 0 或以上。在德国，有近 9 0 0 0 家工厂从事木窗的生产。木质窗已经成为首选的产品。 总之，在充分发挥森林生态和社会效益的前提下，建立起现代化的木材加工工业， 满足经济建设和人民生活的需要。只有通过木材资源的高效利用，才能更好地促进林业 产业的可持续发展。针对我国未来1 5 年大径优质材急剧减少，木材缺口日趋严重的局 面，为适应我国森林资源结构性的变化，缓解林产品的供求矛盾，替代进口产品，节约 外汇，满足国家经济建设对林产品日益增长的需要，实现林产品的高增值、高效益、增 加山区林农的经济收入，提供森林资源再生产的物质基础，利用集成材生产欧式木窗必 将是未来林木产品中的又一大型新兴产业。 1 。3 欧式木窗的市场预测 欧式木窗从它的未来发展趋势看，该产品的生产将在木材工业生产中产生巨大的经 济效益。欧式木窗的应用与欧式术窗的生产和销售具有密切关系，欧式木窗的应用技术 问冠直接关系到该产品的效益。欧式木窗在国外早已取得了不少成就，我们现在研究开 发新的普及型产品应用技术是具有中国特色的新技术。到目前为止国内的欧式木窗主要 用途是在新建居民住宅、各家各户旧窗的改造和旧房全楼改造上，后两种约占现阶段产 品总量的8 0 9 0 ，其次是新楼使用。 根据有关部门的预测，从2 0 0 1 年到2 0 1 0 年。城市居民建筑总量将有3 3 5 亿m 2 。 农村居民建筑总量为5 0 亿m 2 。平均每年为5 亿m 2 。在这1 0 年期间完工的公共房屋建 筑将达至1 0 亿m2 。平均每年为1 亿m 2 。从2 0 0 1 年到2 0 1 0 年对窗的年需求在1 4 亿 川2 ，而东北地区年平均用窗3 3 6 万肌2 。目前，针对普及型欧式木窗来说，它不同于一 般的传统型木窗，是一种适应现代生活追求的木窗，它是利用塑钢窗的形式，制成的一 种新型集成材木窗。集成材的主原料落叶松在东北地区具有一定的蓄积量，而且目前尚 未被较好的高效利用。而且通过制成集成材可以克服落叶松节子、松脂囊多以及易翘曲 的缺陷。由于集成材的密封性能好、承重能力强、稳定性好【4 j 】、不上霜、保温性能 好，因此，由高档实木加工的高档木窗和塑钢窗都可以用普及型欧式木窗来代替。能获 得较大利润的主要市场是旧窗改造，可以以销定产或按固定舰格生产成品。普及型欧式 木窗作为高档欧式木窗的替代品，要求成本低、设备适应性强、利润相对高。我国建筑 门市场由于各地经济发展水平的不同，市场需求和产品结构有明显差异。目前，住宅用 建筑门窗市场份额最大，约占窗业市场总量的7 5 左右，而在这个市场中绝大多数为工 薪阶层，高档的欧式木窗会让他们望而却步，普及型欧式术窗以其优良的质量和工薪阶 层可接受的价格，它一定会有较大的市场占有率，必将迅速普及。出于普及型欧式木窗 质量好、标准高，而且价格相对较低，市场需求量会相当大，因此，投资普及型欧式木 窗具有较好的前景。 “普及型欧式木窗数控加工生产线研究”是黑龙 ! _ f = 省科技厅攻关课题。木文的研究 以该课题为依托，设计制造欧式木窗专用推台铣床，以适应普及型欧式木窗的生产，这 台设备的设计是该课题研究中关键设备之一。就现在固内的来看，在我国自行生产欧式 木窗的企业中，如果能设计出适应不同本窗h 会什的截面形式来保证其加： 精度进而 达到欧洲标准，是国产欧式本窗推向市场的攻关难点。这就需要设汁和制造出能生产适 应平开上悬和内外平开木窗五金件的截面形式的设备，本文所设计制造的木窗专用推台 铣床不但可以生产符合要求的木窗截面型式：同时在生产中，铣削窗扇时体现了该设备 的优越性和特色，就是利用该设备的大型推台将窗厨组框后耳整体进行成型铣削时可以 保证铣削的平稳性和加工精度，为国产欧式木窗的 - k l ”提供了新的选择。 从进给部分来看，单轴木工铣床的机械进给有多利叻式，其中最简便和应用最普遍 的是在单轴木工铣床上设置辊筒式自动进料器，它具有结构简单、通用性强的特点。进 料器相对于铣床导板和铣刀的位置以及高度均可调节。它在国内应用也已很普遍。还可 以在单轴木工铣床工作台一侧设置机械进给滑台，实现工t ：的机械逃给，但这种方式受 行程限制，应用较少。除此之外，单轴木工铣床的机械进给大多是服务于模板仿形加 工。m b ) ( 3 8 1 5 型木地板厂的双端铣其自动进料系统采用链条带动移动工作台结构【7 l 。 本文中所用的是人工进给方式，但对于木窗窗扇的铣削来既，需要有较大的支撑平台来 支撑，因此需要设计制造带有大型推台的铣床，以适应欧式木窗的生产。 从欧式木窗截面的铣静j j n 工来看，首先需要确定的是铣削功率，同时也可以确定铣 削中各个力的大小，特别是切向力和径向力的分析【7 f 【8 l 剥机械没备的理论研究有很大的 联系，有关这方面的研究现在有很多比较成形的计算方法，本文就利用这些计算方法对 推台铣床进行分析研究。 2 用推台铣床的生产t 艺设计 2 专用推台铣床的生产工艺设计 2 1 欧式木窗专用推台铣床生产纲领制订的原则 欧式术窗专用推台铣床以欧式术窗的生产为主要内容，其主要包括产品规格和产品 质量标准。 ( 1 ) 产品规格 欧式木窗的规格将按照用户要求进 r 设计、加工，目阿生产所用集成材原材料的尺 、j 为宽度6 0 m m 厚度5 5 m m 。 f 2 ) 产品质量标准 欧式木窗的生产将参照执行中华人民共和国建筑工业行业标准j g t 3 0 2 6 1 9 9 5 或中 华人民共和国林业行业标准【t 1 5 7 4 2 0 0 0 。 2 2 欧式木窗专用推台铣床工艺措施的制订 专用推台铣床用途工艺这个词肯两层禽意。其一是在木窗加 ：过程中对= 王：件的铣削 安排在那一道工序进行。在第二章中我们说明了木窗的生产：i ：艺过程，专用推台铣床在 整个生产过程中所处的工艺流程( 见图2 1 ) 。由图中可以看出在专用推台铣床生产过程 中，对于加工对象的不同其位置工序不同。对于窗框来说推台铣床应该安排在单件生 产的裁口锯之后，而对窗扇来说是安排在最后工序进行的。其二是在生产阶段，推台铣 床应该采用什么样的方法束对各个组部件的加j r 。就对推台铣床加工本身来蜕，在工作 过程中，担任着木框和窗扇的铣削任务。因此，在铣削任务丌始之i j ，应首先对设备进 行调整，取材料试样进行试车，经过质量检测人员的鉴定后方可进行j 卜式生产。 集成材j - 粗刨! 一犄光刨_ 砂圯j _ 裁lj 锯j 1 船r 一截锯_ 开稗眼叫 纽框 i l 一互- - 1 i ( 窗框白挂) l 战u 锯l - + 截掘+ _ 开稗畦 - 纰扇j _ 啼砂兜_ j链l 宜扇白莅j 刚2 1 推台铣床经历的1 艺流程图 “ 以上流程图可以看出，推台铣床在按个工艺过程中，无论是窗框还是窗扇的最后 成型都是由该机铣削而成，幽此该机在整个牛产过程中超着承上启f 的作用。 2 3 欧式木窗专用推台铣床生产与生产线节拍的匹配 # 产节拍足生产n y - 物料系统中用r 衡量生产率的指标，也是我们进行系统整体配 簧的依据，j t 产线中各设备速度的变化与配合实现了生产加i ：物流系统的生产节拍。 个生产加t 物流系统无论是进行物料输送，还足进行，l 产装配，都有一个最纂本的指 标，就是生产节拍，也就是输送或生产单件工件所需的时间。生产：节拍是根据产量的要 求进行确定的，但当一个生产加工物流系统按照产量要求确定了生产节拍，那么它最大 的生产能力就已经确定下来，不呵更改 9 - 1 2 i 。 在欧式木窗生产中，定型规格( 常规样品见图2 2 ) 的术窗样品需要由卜i 表列出的 木质零件组成表中列出了所需的数量、截面尺寸、毛坯尺寸等量值。 表2 1欧式术窗定唧j 规格样鼎零中i ：一览 图2 - 2 定j “枷格小窗样i 节拍设计的基础数据生产如无特殊要求，“般按照一q i 2 5 0 个_ 【：作h ，一天8 小时 工作时间进行计算，可得该生产线鲍生产节拍只计算公式为1 5 3 l ： 尸= ( d ，6 0 ) ( 2 1 ) 式中：d 工作一： r f = l 工作时问( m m ) ； 产量。 就推台铣床而亩，通过实验获取在实际一t ：作中铣削每米木窗单件需要的时渊的足4 0 秒( 包含辅助时问) ，这样就可以计算出加工每米木窗成品所需要的时间( 见表2 。2 ) 。 2 欧式术窗专用推台铣床的生产工艺设计 由上表可知，推台铣床而言，我们通过实验获取了在实际工作中铣削每1 3 米木 窗，整体( 包括窗扇的铣削) 需要的时间约为5 8 分，由式( 2 1 ) 可计算出每年的产量 为2 0 6 6 5 5 小2 。根据推台铣床生产常规样品( 见图2 2 ) 的节拍而理论上计算的推台铣床 年产量，实际工作中传递时间和设备的维修保养时间以及其它事件。事实上，其余的加 工能力也需要与该设备的节拍相匹配，这就需要由生产管理人员来协调设备之间的生产 节拍问题。经统计，从原材料到木窗的各个零件需要经过的工序时间，每做规格样窗所 有零件加工完的用时间如表2 3 所示。 表2 3 生产规格样窗所有零件每台设备加工时间 从上表可以知道，木线机和开榫机分别需要两台，否则它们的生产速度将不适应生 产线需求。只用一台设备将使其余几台闲置，就会限制整个生产线的产量。这样，用时 最长的设备为3 8 4 s ，这个时间决定了整个系统的节拍时间。因此扣除辅助生产时间外， 再将数据圆整后，我们的结论是该推台铣床适应的年产1 5 2 万m2 的欧式木窗生产企 业。我们根据这个生产节拍，可以制定生产计划进行生产。同时可以看出，推台铣床与 整个生产节拍匹配，适应生产要求。 在实际生产欧式木窗的企业中，按照定型产品作为储备进行销售的很少，而通常是 按照用户的需求进行生产的，对于窗这种按照面积来计算价格的产品来说，面积越大产 量越高，这也是显而易见的。在这种情况下，以上按照定型规格的节拍，只能做为参 考，实际操作中需要生产管理人员按照实际情况以销定产。但是对于一些常规用的备件 还是预先生产出来，以备生产中急需之用。如：安装时用的玻璃压条，以及木榫等等。 2 4 本章小结 本章制定了推台铣床的工艺设计方法出发，制订了该设备的工艺措施，并确定了推 台铣床在工业生产中的节拍，同时为欧式木窗的工业化生产，在生产效率管理方面提出 了建议。 3 欧式木窗专用推台铣床的总体设计 3 1 1 欧式木窗专用推台铣床设计方案的制定 从欧式木窗加工工艺流程图中可以看出，在欧式木窗加工过程中，用到专用推台铣 床的有两个地方，一个就是窗框的成形铣削，另外就是窗扇的成形铣削。所不同的就 是，对于窗框来说是先铣框条后组框，而对于窗扇来说是先组框然后整体进行铣削。 根据欧式木窗生产的要求： ( 1 ) 可以加工不同厚度的窗框和窗扇，加工范围为4 5 1 6 0 m m 。 ( 2 ) 加工长度在8 0 0 2 8 0 0 m m 之间的窗框和窗扇。 在木材铣削过程中，铣削木材需要两个运动，主运动即刀具的旋转运动及进给运 动。欧式木窗专用推台铣床为适应欧式木窗生产需求，必须能够加工不同厚度的窗框和 窗扇，并且加工长度在8 0 0 2 8 0 0 m m 之间，这就需要推台铣床床的主轴能够在垂直方 向上可以调整，水平方向有相对运动；垂直方向上采用主轴的升降来实现，而对于水平 方向相对与主轴的运动是为了实现有一定的加工长度，这可以用推台的运动来实现，再 加上主轴的自身的旋转，所以整个设备需要有四个自由度，分别为x 方向、y 方向、z 方向和主轴的旋转也就是( 图3 1 中) 这个主运动。 x - 一 1 铣刀模型2 推台模型 图3 1 欧式木窗专用推台铣床运动模型 3 2 欧式木窗专用推台铣床的设计参数选取 3 2 1 欧式木窗截面形状的确定 在木窗生产过程中，应用最多的是落叶松制成的集成材，欧式木窗专用推台铣床床 是欧式木窗生产中关键设备之一，在欧式本窗生产过程中，欧式木窗专用推台铣床承担 着重要的任务。该机床采用上轴式，铣刀为组合铣刀。 木窗窗框和窗扇的制作就是用该专用设备制成的，经过反复试验研究，最后确定其 截面形状如图3 2 所示。我们可以认为该截面形状是目前所试验和经实践考验后的最优 3 欧式术窗专用推台铣床的总体设计 方案，这种方案不仅可以满足了木窗的使用性能要求，满足现代木窗不同开合方式五金 件的安装翻要求，同时能够使物料优化利用。 溪 _ 义澎k r 、厂。 卜、一 ( a ) 窗扇截面( b ) 窗框截面( c ) 窗框中框截面 图3 - 2 窗框和窗扇的截面形状 由于原料为矩形方材，那么需要铣削掉的形状为上图补齐矩形的部分，如图3 3 所 示。其中图3 - 3 ( a ) 为图3 - 2 ( a ) 所铣削掉的形状，图3 3 ( b ) 为图3 - 2 ( b ) 和图为3 - 2 ( c ) 所铣 削掉的部分，不同的只是3 - 2 ( c ) 所铣削的是3 - 3 ( b ) 的两部分，这样，我们在制做成型铣 刀时需要做两种刀具，一种是以3 - 3 ( a ) 为形状的铣刀，另一种是以3 - 3 ( b ) 为铣削形状的 铣刀，通过对窗截面的设计，将铣刀的种类减少到两种。这样做的目的是尽量减少木窗 单件制作的种类。也就是说要达到制做铣刀种类最少，而又实现了木窗制作要求设计方 案这样的目的。因为在木窗的制作中，必须考虑到五金件和玻璃等附件的安装，而窗的 内外面也有不同的要求，再加上需要制作橡胶压条等一些附件的安装，使木窗的窗扇和 窗框的截面极为复杂。我们在解释图3 2 和图3 3 的关系时，可以看出他们都可以有一 部分共同的矩形单元，就是这个共同单元在木窗成型加工之前每个零件或组件都要经过 裁口锯裁口之后( 该工序的副产品为将来压条的生产准备了原材料) 才进行铣削，实际 生产过程中，需要铣削的铣削量将更为减少，这一点是我们生产欧式木窗的优化下锯的 特色，不但降低了铣削功率和铣削量而且节省了原材料，使木窗产品利润最大化。但设 备的参数设计过程中，需要选择发生切削力和功率最大的来进行设计。这是由于在该工 序中，可以不经过裁口锯而直接进行铣削，所以一旦厂家不采用或工人在制做过程中不 经过裁口锯就会造成设备功率低等因素而引起的其它系列事件的发生。 、卜一：pj 、i i 、? ，一 、 l 、_l、， u 、 。r j j 十 一一一 l 一 1一j ( a ) ( b ) 图3 - 3 需要去掉部分的形状 鹜 东北林业大学硕士学位论文 3 2 2 欧式木窗推台铣床铣削时的切削力及功率的确定 ( 1 ) 切削力和切削功率计算理论 由木窗的截面型式可知，木窗铣刀与被铣工件的铣削为多个圆柱直齿铣削 1 4 , 1 5 的组 合而成的。由于术窗铣刀与被铣工件的接触角远远小于1 8 0 。，因此，该铣削过程是一个 不完全铣削，而且也是典型的成型铣削，观察窗框的成型面可以看出它是由多个不同直 径的圆柱铣肖4 组成的，也就是说刀刃不同直径的圆柱上都有自己的铣削半径、铣削深 度。圆柱直齿铣削分析图示见图3 4 。 ，7 1 、 j 、j f h f r 图3 - 4 圆柱直齿铣削 本设计中，首先需要对铣削功率进行确定，然后根据确定的功率， 况进行计算。计算中需要以下计算要素【1 3 j ： a 切削速度矿j ) v ：业 6 x 1 0 4 对主轴受力的情 ( 3 1 ) 式中；石圆周率； d 铣刀直径聊) ； 订( 1 m i n l 。 b 进给速度w ( m m i n ) 铣削时的进给量速度u 是指每分钟的进给量，单位是埘s 。 本文中用每齿进给量u z 来表示进给速度，用如下公式计算： uz：1000u(3-2)u = 式中：u 进给速度( m m i n ) ： u ，每齿进给量m i n ) ： z 铣刀齿数。 c 铣削深度 7 ) 文中为平均铣削深度，即以加工表面和代加工表面的平均垂 直距离进行计算。 ：坠誊銮宴主星耋窒丝鏖墼堡竺兰婆 d 铣削宽度b 坍) 垂直于走刀方向度量的已加工表面的尺寸。 e 运动遇角钟) 切削速度与进给速度之间的锐角夹角。计算中用如下公式： 肚a r c s i n 抬( 3 - 3 ) 式中：臼运动遇角( o ) 。 f 切削厚度口( m m ) 切削厚度为两相邻切削轨迹间的垂直距离。瞬时切屑厚度按 下式计算： 盯= u ：s i n ( 3 - 4 ) 式中：口切削厚度m m ) 。 通过以上计算要素，可以得到切削松木时刃口钝半径的磨损量p 卸- o - 0 0 8 志一n _ 7 1 ( 3 - 5 ) 01 0 0 0 。 s i n 式中：a p 刃口钝半径的磨损量伽) ； r 刀具连续工作的小时数( h ) 。 那么刀具变钝系数c 。按照如下公式计算： c 一：1 + 0 2 a p ( 3 - 6 ) 式中：c 刀具变钝系数： 岛刃口初始圆半径，锐刀时一般取5 1 0 ) 。 在计算松木的切削功率和切削力需要以下计算资料： 横向铣削时，系数厂和p 如下： ，= 0 0 7 x 9 8 1 当a o 1 m m 时： p = o 0 0 7 5 ( d + v ) 一o o l h 一0 0 7 9 8 1 当d 0 1 m m 时： p = 【0 0 0 7 5 ( 占+ v ) 一o ：o l h + o 5 1 9 8 1 纵向铣削时，系数厂和p 如下： f = f o 1 6 + 0 0 0 3 6 0 ) 9 8 1 当日0 i m m 时： p = ( o 0 2 + o 0 0 0 4 0 ) 艿+ 0 0 7 + o m s o ) z 一( o 5 5 + o 0 1 p 1 9 8 1 当a 0 1 m m 时： p = o 0 0 7 5 ( d + v ) 一0 o l h + o 5 1 9 8 1 根据以上结论可计算出单位切削力p ： p ：p + c p 。f ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 东北林业大学碗士学位论文 式中：p 单位切削力n m m 2 ) f 、p 系数( 卅m ) c 。刀具变钝系数； 口切削厚度r a m l 。 _ d ：旦：! ：! ：坠：! ：! 。 6 1 0 7 以上计算后为理论切削功率，将运动传递效率考虑后应因此实际功率p o 为 p o = p r 式中：p o 实际功率 ) ； 灯机械效率。 ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 通过以上估算后选取最大的铣削功率。然后根据这个功率值对横向和纵向铣削时铣 刀的各个力按照如下公式进行计算： 铣削力： f ：堡曼：口6 旦 矿 6 0 矿 f = f ：七f 7 式中：后刀面上的切削力( ) f ：睦二! 璺生生! 里 。 3 6 0 0 e 前刀面上的切削力( ) 径向力： ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) f ，：量一r , t g ( 7 0 一j ) ( 3 - 1 9 ) “ 本文中的铣削为逆铣，则平行于进给速度的力为 f u - = f 。c o s 0 + f f 。s i n 0 垂直于进给速度的力为： f u = 一f s i n 0 + f 。c o s 0 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 通过以上方法，可以获得铣削时的切削力和切削功率，这样就可以用来确定设备的 功率和进行其它受力分析了。当然，由于木材的含水率不同以及木材的各向异性等性 质，再加上刀具的锋利程度等因素，它们对木材的切削影响是非常大的，这里鉴于为欧 式木窗设计推台铣床的设计而计算切削力所以为便于计算，木材为纵向铣削，同时不受 刀具影响，原料为含水率在8 2 的松木，对其切削力和切削功率进行测算。 ( 2 ) 切削力和切削功率计算的软件编制 根据以上切削力和切削功率详细的计算方法，本人对计算工程进行了v b 程序的编 3 欧式术窗专用推台铣床的总体设计 制其代码见附录。通过该程序的编制，可以按照需求调整参数，通过比较后得出最佳方 案。不但可以节省大量时间，而且可以看到通过修改参数对各个力的影响情况。为该设 备切削力和切削功率的设计计算提供一种可视化的界面。需要说明的是，木材铣削参数 的确定是非常复杂的工程，因为不同树种性质各不相同，再加上它的各项异性的性质和 生长情况的不同，因此很难准确地得出结果。木材加工机械的设计中，只能是忽略次要 因素，将研究内容做出一定的假设后估算出各个参数。本文中加工的木材主要为松木集 成材，在计算时为了得出铣削的最大功率。来保证正式生产的加工可靠性。该程序的局 限性在于只是计算了松木铣削中的各个参数，对其它树种及计算原则需另做计算详细资 料可以见文献【1 3 1 9 】。另外，在计算过程中为了使机床的功率足够，所以在选取参数时 采用的“取大”的原则，这里的取大仅指使机床功率最大的原则。计算结果见图3 5 ， 确定功率之后，可以对电机功率进行选取，然后再次对选定功率下的切削力和切削功率 进行计算。需要注意的是，阻下输入的数值，对于直齿圆柱铣削【1 4 j 可以直接应用，而其 它方式的铣削方式需要转化成等效铣削模型后才能应用。 图3 - 5 初步确定切削功率和切削 根据以上计算结果，从中可计算出纵向铣削的铣削功率，到此可以得知该设备需要 的功率估算出3 8 6 k w ，圆整后选择电机的功率为4 k w 。然后填入已知功率求各力的计 算程序进行计算，计算结果见图3 - 6 。这里我们算出的各力的大小，其中径向力的计算 是下章主轴部件的动力学分析的数值依据。从计算结果可知，在额定功率4 k w 条件 下，纵向铣削时的径向力为2 1 2 5 n 。 图3 - 6 确定功率下的各个力的计算情况 ( 3 ) 主轴带轮参数的确定 根据机械设计手册，计算主轴带轮部分所有参数如表3 1 。 表3 - 1 皮带带轮传动参数表 计算项目结果计算项目结果 v 带传递功率p ( k w ) 4 基准长度l d ( m m ) 1 1 2 0 原动机转速n 1 ( r m i 吣 2 8 9 0 实际中心距a ( m m ) 3 8 2 从动轮转速n 2 ( r m i n ) 5 7 8 0 小带轮包角 1 9 1 2 5 。 v 带传动的滑动率 0 0 2 单根v 带的基本额定功率p i ( k w ) 3 4 8 工作机载荷性质载荷变化较大i 1 时额定功率的增量p 1 ( k w ) 0 2 9 工况系数k a 1 4 包角修正系数k 。 1 计算功率p 。( k r v ) 5 6 带长修正系数k l o 9 1 v 带型号a 型v 带的根数z 2 小带轮基准直径d 1 ( r a m ) 1 5 0 v 带的张紧力f o ( n ) 1 4 4 0 4 大带轮基准直径d 2 ( m m ) 7 5 作用在轴上的载荷f o ( n ) 5 7 3 3 9 v 带传动的带速( m s ) 2 2 7 3 3 欧式木窗专用推台铣床的结构 欧式木窗专用推台铣床床作为欧式木窗生产的关键设备之一，其结构简练，有很强 的功能性和可操作性。这台设备是欧式木窗的产业化的专用设备，样机在制造后作为欧 式木窗产业化技术的主要设备进行了转让。推台铣床床的总体结构见图3 7 。由图中可 3 欧式术窗专用推台铣床的总体设计 见，该设备分为主轴、升降机构、推台等部分。 在生产加工时，将物料放到工作台上，用专用夹具将物料夹紧，开启电源，人工推 动推台，即将原料铣削成为所需要的形状。在木窗生产中能体现该设备的优越性和特色 的是铣削窗扇的工作情况。利用该设备的大型推台将窗扇组框后整体进行成型铣削时可 以保证铣削的平稳性和精度。 1 主轴2 机架3 升降机构4 机体5 工作台6 5 艮位挡板 7 电器控制面板8 横向承接板9 导向和水平调整装置 图3 7 欧式木窗专用推台铣床结构总图 3 4 欧式木窗专用推台铣床的主轴结构设计 主轴的转动是铣床工作的主运动，在设计主轴结构时应充分考虑到主轴的稳定性和 安全性。木材的高速加工对铣床主轴系统不仅要求转速高，输出的功率要大，还要求具 有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性 2 0 。推台铣床主轴 结构( 见图3 8 ) ，转速达5 7 8 0 r m i n 左右。由于该主轴较长，所以支承采用背靠背组配 的高速精密角接触球轴承【2 “，以提高承载能力，轴承在轴承厂已成对配磨好，属通用组 配型。主轴端部采用迷宫式密封，因为迷宫密封为非接触式密封，这样不但有很好的密 封性能，又不影响主轴的转速田j 。 1 螺钉2 轴端挡圈3 带轮4 键5 压盖6 轴承7 主轴8 轴座9 轴承1 0 压盖1 1 迷宫式压盖 图3 - 8 推台铣床主轴结构 东北林业大学硕士学位论文 3 。5 欧式木窗专用推台铣床推台部分设计 欧式木窗推台铣床的进给方式 2 3 】( 见图3 - 9 ) 是人工进给方式，其组成由工作台、 保持架、机座、滚珠限位螺栓以及横向承接板等组成。该结构中工作台与机座的相对运 动的性能是明显的，需要说明的是在保持架的前后方向上有两个限位螺钉，以保证滚动 部分不至于在推动工作台时滑出，同时工作台的两个端头也有限位螺钉，是为了限制工 作台不至于脱离机座。为了不致使该推台横向承接板有太大的偏心而失衡，在该横向承 接板下方有横向支撑导向装置，该导向装置是矩形导向管架在上下两组滚轮上滑动，滚 轮与矩形导向管可以自由滑动，同时在方管的端头处设置了支撑杆。该支撑杆由两部分 组成，上下为螺纹连接，用以调整整个幅面的水平状态。当有较大幅面的工件加工时使 其保持同一水平面内，保证了加工工件的精度。 一 _ 【一，：j：!l一 1 工作台2 滚珠3 保持架4 压板5 横向支撑 图3 - 9 推台剖面结构示意图 在图3 - 9 中可以看到在工作台上有两个t 形槽，这两个槽是为了铣削物料安装夹具 及其它附件而设置的，该夹具可以在t 形槽内滑动，当滑动到适当位置时，用螺母锁紧 固定，夹具( 见图3 - 1 0 ) 的具体机构和功能为：该夹具可以利用工作台上的t 形槽与夹 具底座通过工作台上的固定板连结，用螺栓将偏心夹具紧固，将物料放到压头下，旋动 手柄、偏心轮绕销轴旋转，由于偏心的作用随即将力传动给挺杆，挺杆带着压头可将物 料夹紧。由于压头下面粘有橡胶垫，所以对夹紧的物料不会压伤，同时还会增加它们之 间的摩擦力。该夹具在工作台上设置三个，可以使窗扇的批量生产时，不必时刻调整其 位置。同时该夹具压头可以以转轴进行任意角度调整，调整时需要将螺栓拧松，转动到 合适位置时将其紧固。因此，在铣削窗框单件情况下，同样可以使用该夹具进行夹紧， 由于该夹具只需转动手柄即可实现夹紧，所以操作方便、简单、省时，工作效率高。在 工作情况下，在用专用夹具夹紧原料后，操作人员只需推动工作台进行铣削。这样会使 工作人员与刀具切削区域有一定的距离，不但在加工精度上摒弃了一些人为把持受力不 均等人为因素，同时增加了工作的安全系数。 该工作台面积为1 6 0 0 3 0 0 0 ，适应门窗类有大型框架的物料进行加工。 3 欧式未窗专用推台铣床的总体设计 1 夹具底座2 支杆3 支杆座4 立杆5 螺栓6 套7 周定块8