實木門立梃砂光機的設計及磨削參數分析
實木門立梃砂光機的設計及磨削參數分析
姜新波， 胡 昊， 馬 岩*， 楊春梅， 郭 璨
(東北林業大學林業與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040)
摘要：針對當前我國木門生產企業採用先砂光後組裝的加工方法進行木門生產加工效率不高、砂光不均勻等問題，提出一種對組裝後的實木門立梃進行一次砂光成型的方案，介紹了實木門整體砂光工藝以及實木門立梃砂光機的工作原理。為確定符合砂光機設計要求的工作元件，對磨削過程中刷式砂光輥的砂條形變以及帶式砂架中砂帶材料切除率等因素進行分析，確定了砂光輥的工藝參數，並選擇了混合鋯剛玉磨料的砂帶作為帶式砂光元件。通過對實木門磨削加工過程中的磨削力進行分析與計算，得出了磨削過程中的磨削力和法向壓力的數值，並針對砂光過程中砂帶線速度、磨削深度和進給速度對磨削力的影響進行了試驗，確定了粗砂工序和精砂工序中最合適的磨削參數，為實木門立梃砂光機的設計提供了理論依據。
關鍵詞：砂光機；工作原理；受力分析；磨削參數
實木門因其木材紋理清晰，造型典雅美觀，防腐防變形性能好，保溫隔音性能優等特點，越來越受到人們的青睞[1]。我國擁有世界上最大的門窗加工市場，木門生產面積約佔門窗總產量面積的70%，木門行業前景十分廣闊。砂光工序作為降低或消除實木門表面缺陷，提高實木門表面光潔度、平直度和尺寸精度的一道工序，對提高實木門表面質量起著至關重要的作用。目前國內木門製造領域的多數企業均採用先對木門各組件進行砂光，然後再組裝成型的方式進行生產，這種方式在工序上較為贅余，生產效率不高，而且已經砂光完成的組件在組裝成型的過程中還有可能表面受到損傷，影響木門質量及銷量[2]。研究由實木門橫梃砂光機和立梃砂光機聯合組成的實木門砂光生產線，可以實現實木門組框後，先經過橫梃砂光工序，再經過立梃砂光工序，從而完成實木門整體一次砂光成型的加工過程。實木門立梃砂光機，可以對實木門兩端立梃的三個表面同時進行砂光，提高實木門的加工效率和表面質量，拓寬產品規格，適應市場需要，提高企業效益。
1 實木門立梃砂光機的工作原理
1.1實木門整體砂光工藝分析
實木門砂光工序位於組框、裁邊、打孔工序之後，噴塗底漆工序之前，包括對實木門雙端兩根立梃的砂光、三根橫梃的砂光及兩根中梃的砂光[3]，工藝效果需要達到砂光後可以直接噴塗底漆的程度。由於實木門需要的表面砂光質量較高，所以砂光工藝應劃分為粗砂和精砂兩道加工工序，砂光區域為實木門兩端橫梃的上下表面以及側表面，以保證達到需要的磨削量和表面質量。其中，採用帶式砂削的加工方式對實木門兩端立梃上下表面進行粗砂和精砂，由於側表面的表面粗糙度要求相對於上下表面略低，因此對側表面的粗砂工序採用刷式砂光輥，在達到加工要求的基礎上節約了空間、降低了成本。
1.2 實木門立梃砂光機結構及加工工序
實木門立梃砂光機採用砂光輥和帶式三角砂架組合的砂光方式，採用先粗砂後精砂的加工工藝，採用一端固定一端可移動的開合式機架形式，可以實現對不同尺寸規格的木門進行雙端立梃的一次砂光成型。工件進入砂光機後首先經過一對刷式砂光輥，對實木門立梃的側表面進行一次粗砂；隨後經過一對卧式砂架，對實木門立梃的側表面進行一次精砂，完成立梃側表面的砂光；工件經過上下兩對立式砂架，對實木門立梃上下表面進行粗砂；工件經過砂光機尾端的上下兩對立式砂架，完成實木門立梃上下表面的精砂。實木門立梃砂光機結構示意圖如圖1所示。
圖1 實木門立梃砂光機結構示意圖
1.移動端限位組件；2.砂輥組件；3.壓輥組件；4.步進電機組件；5.立式砂架組件；6.移動端機架組件；7.基座組件；8.固定端機架組件；9.托輥組件；10.張緊組件；11.卧式砂架組件；12.固定端限位組件
2 砂光元件的選擇
2.1砂光輥工藝參數選擇
在砂光過程中，柔性砂光條通過砂輥的高速旋轉與工件接觸時發生彎曲變形，砂光條所受的力包括工件給砂光條的摩擦力和法向力。在理論接觸長度L和偏轉角度θ不變的條件下，彎曲變形的撓度和施載入荷的方向不變。所以，隨著砂光條長度L的增加，其對工件的法向壓力減小，且減小趨勢變緩[4]。
砂光輥的結構如圖2所示，實木門立梃砂光機採用有支撐的條狀刷式砂光輥，其中砂帶固定在安裝盤上，再將安裝盤固定在砂光輥基座上，方便砂帶磨損後及時更換，砂輥基體半徑為43 mm，砂帶末端超出安裝盤8 mm。砂光過程中，砂帶末端到砂帶與木門接觸位置之間的距離即為接觸長度s[5]。
圖2 砂光輥結構
通過測試，在θ為90°、理論接觸長度L從5 mm 增加到30 mm 時，長度為9 cm、11 cm、13 cm 的砂光條，對試件的法向壓力分別增大了約0.87 N、0.42 N、0.39 N。由於理論接觸長度值增大，所以砂光條的彎曲程度增大，變形撓度也增大[6]。根據撓曲線方程，在長度確定後砂光條上砂帶端部的撓度和法向壓力成正比，即隨理論接觸長度的增大，砂光條對試件的法向壓力增大。
綜上所述，可選用砂帶長度110 mm、接觸長度20～25 mm作為砂光條的工藝參數，在該條件下加工後的實木門立梃側表面粗糙度小，能夠達到一次粗砂所能完成的較好表面質量。
2.2 砂帶磨料選擇
實木門砂光工藝分為粗砂和精砂。砂帶磨粒切削過程如圖3所示，磨粒前表面與基面的夾角稱為前角，前角越大切削強度越大，但磨粒磨損越快。木材磨削的磨料分為剛玉類、碳化物類和玻璃砂三種類型，目前市場上常見的砂帶多選用聚酯布碳化硅砂帶，這種砂帶不僅壽命短，而且容易產生砂光缺陷[7]，因此應改變砂帶表面磨料的組成成分以提高砂光質量。
圖3 砂帶磨粒切削過程示意圖
通過研究和分析可知，砂帶磨削的材料去除效率與其自身的結構特性和表面形貌以及加工方式有密切關係。根據陳志遠等對材料切除率與砂帶線速度之間關係的研究，可以得出在法向磨削壓力一定的條件下，採用氧化鋁、碳化硅和鋯剛玉三種不同成分的磨料，砂帶線速度對木質材料去除率的影響規律。在一定範圍內，材料去除率Z隨砂帶線速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定限度後Z隨即減小。這是因為Vs增加，單位時間內經過磨削區的磨粒數目增加，即有效切削刃數目增加，但當Vs超過一定速度範圍後，由於速度過快，磨粒在磨削區停留時間過短，不足以完成磨粒切入木材的切削過程[8]。
通過比較三種磨料的材料切除率，決定在磨料中加入韌性好、切削力強的鋯剛玉磨料製作砂帶。選擇氧化鋯質量分數為40%的鋯剛玉，經過特殊工藝的冶煉加工並經過靜電塗覆處理，方便了磨料進行靜電植砂。採用碳化硅混合鋯剛玉的磨料既提高了定厚砂光砂帶存在的加工能力，也彌補了常規砂帶存在的不足。
3 砂帶磨削過程受力分析
磨削加工時，壓墊以一定的法向壓力N將砂帶壓在木門表面，砂帶上的磨粒對木門進行磨削，砂帶與木門接觸的圓弧上產生綜合磨削力，綜合磨削力被分解成與木門進給方向平行的水平磨削力Ft，與木門進給方向垂直的法向磨削力Ff，以及砂帶擺動的軸向力拉力Fn[9]。此外，傳動皮帶與木門之間也會產生摩擦力Fs，稱之為牽引力，牽引力Fs一定要大於水平磨削力Ft以保證被加工木門能夠正常進給，否則木門將發生回彈。砂帶磨削過程中受力示意如圖4所示。
圖4 砂帶磨削受力示意圖
3.1 磨削力確定
根據砂帶磨削的物理特性，法向壓力Ff為：
Ff=P·S
(1)
式中：P為接觸面上的壓強(MPa)；S為砂帶與被加工木門的接觸面積(mm2)。
本設計中已知S=0.006 45 m2，帶壓墊的砂帶磨削單位壓強最大為18 kPa。代入式(1)得：
Ff=116.1(N)
根據砂帶磨削的物理特性，水平磨削力Ft為：
Ft=Ff·ε
(2)
式中：Ff為法向壓力(N)；ε為砂帶磨削係數。
對於砂帶磨削係數ε可用下面經驗公式求得：
ε=(0.425 0.19dm0.5)KsKm
(3)
式中：dm為主要磨粒的直徑(mm)；Ks為樹種修正係數；Km為磨粒變鈍修正係數。
磨粒顆粒尺寸dm=0.2 mm，被加工木門立梃的木材以松木為標準，取樹種修正係數Ks=0.95，取砂帶的磨粒變鈍程度修正係數Km=1。帶入式(3)經計算得：
ε=0.484
由此可得，磨削時產生的切削力Ft為：
Ft=Ff·ε=116.1×0.484=56.19(N)
3.2 法向壓力確定
由圖4可知，牽引力：
Fs=(G N-Ff)μ
(4)
進給阻力：
FZ=Ft
(5)
式中：Fz為進給阻力；Ff為法向磨削力；Ft水平磨削力；N為壓墊施加的壓力；G為木門自重；μ為木門與傳動皮帶之間的摩擦係數。
為保證進給順利進行，必須滿足Fs≥Fz，即：
(6)
代入Ft，則法向壓力N必須滿足：
(7)
已知木材磨削加工過程中的摩擦係數μ=0.4，實木門作用在傳送帶上的重力G=150 N，帶入公式可得法向壓力N的取值範圍：
N≥106.58(N)
4 影響砂帶磨削力的因素
磨削力是砂帶在磨削過程中與工件發生表面接觸而產生的，磨削力可以分解為切向磨削力Ft、法向磨削力Ff以及砂帶擺動的軸向力Fn，這裡我們針對不同磨削參數對切向磨削力Ft和法向磨削力Ff的影響進行試驗[10]，實驗裝置中不涉及擺動軸向力Fn。
4.1 磨削力測量原理
磨削力測量試驗採用測力感測器的測量方法，在磨削加工過程中，被加工木板受力產生材料內部形變，從而使得測力感測器內部的電阻應變片產生相應的形變，測力感測器輸出電荷，電荷經過放大器放大後輸出電壓信號，再傳送至計算機進行分析計算，從而得出不同參數變化下磨削力的變化情況[11-12]。
4.2 試驗設計
4.2.1 試驗條件
試驗地點：黑龍江省哈爾濱市東北林業大學林業與木工機械工程技術中心101試驗室。
試驗時間：2018年4月。
本試驗的試驗裝置採用由東北林業大學林業與木工機械工程技術中心設計，哈爾濱森鷹窗業股份有限公司製造的MM7912多砂架砂光裝置，試驗使用1個砂架，工件與測力感測器通過工裝夾具相連接，如圖5所示。本試驗所需其他試驗條件見表1。
圖5 MM7912多砂架砂光機試驗裝置
表1 磨削力測量試驗條件
4.2.2 試驗因素設計
當磨削用量取Vs=15 m/s、ap=0.025 mm、Vg=200 mm/min時，測得切向磨削力Ft與法向磨削力Fn的數據作為初始數據。分別改變試驗因素：砂帶線速度Vs、磨削深度ap以及進給速度Vg，測量單一因素變化下的響應指標：切向磨削力Ft與法向磨削力Fn的變化趨勢。試驗因素對照見表2。
表2 試驗因素對照
4.3 試驗結果分析
4.3.1 砂帶線速度對磨削力的影響
隨著砂帶線速度Vs的增大，開始時磨削力增大斜率較低，在15～25 m/s範圍內，切向力和法向力增幅不超過16%，如圖6所示。當Vs增大到25 m/s之後，磨削力開始迅速增大，當砂帶線速度到達30 m/s時，切向力相比於15 m/s時增大了75%，法向力相比於15 m/s時增大了78%。
圖6 磨削力隨砂帶線速度變化曲線 (Vg=315 mm/min,ap=0.1 mm)
砂帶線速度Vs的增大，使得磨粒與被加工件間的接觸時間變短，實際切削厚度減小。因此每顆磨粒表面產生的磨削力也隨之減小，而當線速度超過這一範圍後，砂帶的磨損速度加快，磨損程度增大，造成磨削力快速上升[13-14]。因此，適當增大砂帶線速度可以改善加工區狀態，提高工件的表面質量，但線速度不能過大，否則容易加快砂帶耗損，並增大加工誤差。
4.3.2 磨削深度對磨削力的影響
磨削力隨磨削深度變化曲線如圖7 所示，隨著磨削深度ap的增大，切向磨削力Ft和法向磨削力Fn均呈現增大的趨勢。磨削深度的增加不僅使單顆磨粒的切削厚度增大，同時也使砂帶與工件的磨削接觸弧長增大，因此磨削力隨之增大[15-16]。
圖7 磨削力隨磨削深度變化曲線 (Vg=315 mm/min,Vs=18 m/s)
4.3.3 進給速度對磨削力的影響
磨削力隨進給速度變化曲線如圖8所示，隨著被加工件的進給速度Vg增大，產生的磨削力也增大，遵循傳統的磨削規律。
圖8 磨削力隨進給速度變化曲線 (Vs=18 m/s，ap=0.075 mm)
綜上所述，根據對實木門表面進行砂光所具備的條件和需要達到的表面加工質量，選取工件的加工進給速度為300 mm/min；粗砂砂帶粒度為80#，磨削線速度為15 m/s；精砂砂帶粒度為120#，磨削線速度為20 m/s；粗砂磨削深度為0.8 mm；精砂磨削深度為0.4 mm，以達到符合加工要求的磨削力和表面質量。粗砂和精砂的砂帶磨削參數見表3和表4。
表3 粗砂砂帶磨削參數
表4 精砂砂帶的磨削參數
5 結論
(1)通過對國內實木門加工現狀的了解及分析，明確了實木門立梃砂光機的設計目的，旨在提高實木門砂光過程中的加工效率和質量，確定了實木門立梃砂光機先粗砂後精砂的砂光工藝以及採用帶式砂架和刷式砂光輥結合的工作方式。
(2)對砂光過程中的磨削力進行了理論分析及計算，確定了實木門立梃砂光機的切向磨削力和砂帶的最小法向壓力；闡述了主要砂光部件砂光輥的工作過程並選用了砂帶長度110 mm、接觸長度20～25 mm作為砂光條的工藝參數；介紹了主要砂光部件砂帶的工作特性並選擇了混合氧化鋯質量分數為40%的鋯剛玉磨料的砂帶以提高加工效率。
(3)通過磨削力測量試驗，研究了實木門砂光過程中砂帶線速度、磨削深度和進給速度對磨削力的影響，在滿足現有條件和加工要求的前提下，確定了粗精砂工序的砂帶磨削參數，以保證木門能達到理想的表面質量。
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