板式定制家具生產中典型數(shù)控鉆孔設備分析

吳智慧1，唐遠明2

（1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，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過程中，板式部件的鉆孔是為板式家具制造接口，通過各種類型的鉆孔設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中的重要工段，直接影響到產品質量、使用壽命和生產效率等。筆者主要概述和總結了目前國內常用的數(shù)控加工中心、數(shù)控開料鉆孔中心、臥式數(shù)控鉆孔中心、立式數(shù)控鉆孔中心等3種典型板件鉆孔設備。這對現(xiàn)代板式家具或板式定制家具的數(shù)控鉆孔設備的選型、生產線的規(guī)劃、智能制造的實施都具有實際參考作用。

關鍵詞：板式家具；定制家具；鉆孔；數(shù)控；加工中心

目前市場是以定制家具，如櫥柜、衣柜和書柜等多數(shù)以板式家具（32 mm系統(tǒng)）的框架結構為主，加上柜門面板，抽屜面板等組成[1]。現(xiàn)代板式家具或板式定制家具的主要結構形式是拆裝式結構，是通過各類現(xiàn)代五金件或連接件將各種板式部件連接而組裝成產品，因此，板式部件一般需要進行鉆孔加工。板式部件的鉆孔是為板式家具制造接口，通過各種類型的鉆孔設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，有的在側邊上鉆孔[2]。鉆孔的基本要求是要按照設計要求確?？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智能生產線的企業(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備。

1 單臂式數(shù)控加工中心

隨著家具工業(yè)和科學技術的發(fā)展以及數(shù)控技術、柔性技術和計算機技術的應用，計算機數(shù)字控制的數(shù)控加工中心（CNC），在家具及木制品生產中得到了較為廣泛的應用，其原因是CNC數(shù)控加工中心可以通過刀架的水平或垂直方向的移動、工作臺的多向移動以及刀頭的轉動等，進行鋸、銑、鉆、封邊、砂光等全套加工，實現(xiàn)三維立體化生產，一機多能。數(shù)控機床能按照工件的加工需求和人們給定的程序，自動地完成復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個刀頭）或刀具庫，可通過電腦自動控制刀架的運動、刀頭的選擇和自動換刀以及CAD設計程序的自動操作等完成復雜家具部件的加工。被加工工件通過工作臺內的真空吸附作用或工作臺上的夾緊裝置作用，使其穩(wěn)固在工作臺面上，從而保證被正確地切削加工。如圖1所示，該類設備可安裝鋸片、銑刀、鉆頭、刨刀、砂輪等刀具，以便實現(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)控加工中心具有調節(jié)快、輔助工作時間短、加工精度和自動化程度高等特點，這既能降低工人的勞動強度，又能保證較高的加工質量。一臺CNC數(shù)控木材加工中心能滿足現(xiàn)代家具企業(yè)對產品多方面的加工要求，并能迅速適應設計和工藝變化的需要，如產品造型上的復雜多變、產品的快速更新，還有高效、高精度加工以及小批量多品種的生產[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)控開料鉆孔中心、數(shù)控開料機、數(shù)控排鉆開料中心，是集自動定位、垂直打孔、開槽銑型（或雕刻）、優(yōu)化開料等功能于一體的數(shù)控加工中心，配備刀具庫或不同刀具軸，可減少換刀時間以及加工異形，并對接設計與加工軟件，自動排版優(yōu)化下料，是目前靈活性、性價比、生產效率和板材利用率都比較高的一類數(shù)控開料機，能真正實現(xiàn)個性化定制生產[2]。

圖2（a）為單工位數(shù)控開料鉆孔中心，可選配自動上下料平臺；圖2（b）為雙工位數(shù)控開料鉆孔中心，雙工位不間斷上下料、開料，工作效率大幅提高；圖2（c）為具有自動上料、自動貼條碼、優(yōu)化開料、垂直打孔、自動下料等功能一體的數(shù)控開料鉆孔中心。

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)控加工設備，操作簡便，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）以及通過式數(shù)控鉆（或通過式數(shù)控鉆），如圖3和圖4所示，都是全面打孔的設備，操作簡單，自動化程度高，效率高、精度也高。

圖2 龍門式數(shù)控開料鉆孔加工中心
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計算機數(shù)控多功能加工中心（全能五面加工中心、數(shù)控五面鉆）。設備采用PC85T電源控制，最高可達104個CNC鉆軸的配置，支持各種產品加工的可能性（其中，頂部和底部各配置32支垂直鉆軸、10支水平鉆軸，可通過程序獨立控制；頂部和底部各配置1個槽鋸裝置，實現(xiàn)90°范圍內旋轉加工；頂部和底部各配置1個鏤銑主刀軸）；自帶工件長度及厚度檢測系統(tǒng)，保證加工操作更安全，加工工件長度為200~2 500 mm，工件寬度為70~1 000 mm，工件厚度最大可達80 mm；配置1個附加出料臺（配縱向和橫向輸送帶），可靈活進行各種聯(lián)機操作；無論機械手或吊臂、左邊或右邊進料、人工或自動的上料與卸料方式，工件放入特定的工位，2個CNC控制的夾具系統(tǒng)保證穩(wěn)定快速的定位，并會自動把工件送入加工區(qū)域，工件由2個夾具夾住進行加工，1次裝夾可完成工件6個面的鉆孔以及工件上、下面的開槽，加工后又自動把工件從另外一側工位通過皮帶運輸傳送出來；自動鉆軸鎖緊技術，保證了精確的鉆孔深度，確保家具成品質量更完美；擁有各種可選配置以滿足不同產品的加工需要。

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個面的鉆孔以及工件上、下面的開槽，如圖3（d）；高速長距雙抓手結構，減少換抓手次數(shù)，使加工更高效；自動檢測板材相關尺寸，防止人工出錯；自動記錄各類信息，方便生產管理；工作臺面裝滿氣動浮珠，在臺面移動板材輕便，且不劃傷板材；開放的軟件對接接口，可兼容多種對接格式。

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）。橫梁通過式結構，六面打孔操作一次性完成，如圖3（d）；雙夾鉗，根據(jù)板材長度自動調節(jié)夾持位置，氣浮臺面有效保護板材表面；機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＋下9個）+水平鉆（X向4個＋Y向4個）＋鋸片的排鉆搭配主軸，可實現(xiàn)多元化加工。

3.2 通過式數(shù)控鉆孔中心（通過式數(shù)控鉆）

圖4（a）所示為EHS 0924通過式六面鉆孔加工中心（通過式數(shù)控六面鉆）。橫梁通過式結構，六面打孔操作一次性完成；雙夾鉗，根據(jù)板材長度自動調節(jié)夾持位置；垂直鉆（上12個＋下9個）+水平鉆（X向4個＋Y向4個）的排鉆搭配主軸，可實現(xiàn)多元化加工；選配雙鉆包可同時打側孔、垂直孔，效率大幅提升；打孔連線最小可加工板材長度為80mm，獨有優(yōu)勢。

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通過式數(shù)控排鉆加工中心（通過式數(shù)控鉆）。這是一款高速、連續(xù)性加工的數(shù)控鉆孔設備，具有雙橫梁四排鉆組，雙工位，可同時加工2張板材，加工效率極高；56個單獨程控的高速變軸的垂直鉆軸，10個單獨程控的高速變軸的水平鉆軸，2組開槽鋸（X向/Y向）；高速同步帶輸送板材，全臺面真空吸附盤確保板材穩(wěn)固吸附不移位，加工更精準；可對接軟件、板材自動定位，自動加工，即使柔性加工，也可批量高效完成板件多個面的鉆孔。

圖4（c）所示為N 2508通過式打孔中心（通過式數(shù)控鉆）。該設備集自動進料、加工和出料于一體，適用于流水線作業(yè)，自動化程度高；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個鉆盒（四排鉆組）上的刀具可同時加工2件工件，也可同時加工同一件工件，加工靈活高效；下沉式側面定位板設計，方便加工側面孔，鉤頭式帶緩沖的定位裝置，使工件的定位更加平穩(wěn)可靠；采用真空吸盤固定工件，同時配置側靠夾手，穩(wěn)固工件，確保加工精度；開放的軟件對接接口，可實現(xiàn)多種設計拆單軟件完美對接，無須編程和調機，一次上料即可完成四面（工件的上、前、后和左側）孔位加工。

圖4（d）所示為ABL 220通過式高速打孔中心（通過式數(shù)控鉆）。該設備的機頭配置為80個（4×20）單獨程控的高速變頻垂直鉆軸；16個單獨程控的高速變頻水平鉆軸（X向4×3=12個，Y軸向2×2=4個）；2組可旋轉的開槽鋸?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)保證工件定位的準確；加工區(qū)域全臺面真空吸盤裝置，保證了工件在通過式臺面上加工的穩(wěn)定性；工作臺面為3 000 mm×800 mm。該通過式高速打孔中心（通過式數(shù)控鉆）特有的鉆軸鎖緊技術保證了打孔的高質量，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、高質的打孔需求。

4 立式數(shù)控鉆孔中心

圖5所示為德國豪賽爾Evolution立式數(shù)控加工中心，無論是實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 通過式數(shù)控鉆孔中心（通過式數(shù)控鉆）
Fig.4 Thrufeed CNC drilling machine

圖5 德國豪賽爾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計算機數(shù)控多功能加工中心（立式數(shù)控加工中心）。設備配置8支垂直鉆軸、6支水平鉆軸，可通過程序獨立控制；配置1個槽鋸裝置，沿X方向加工；配置1個鏤銑刀軸；自帶工件長度及厚度檢測系統(tǒng)，保證加工操作更安全，加工工件長度為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）。該設備的排鉆與主軸配置方案為：1臺5.5 kW主軸（可選配9.6 kW自動換刀主軸），15支獨立啟動的鉆頭（9個垂直/6個水平），1個開槽鋸，即9垂直+6水平+1鋸片，也可選配4刀位刀庫；可無縫銜接開料環(huán)節(jié)，加工條碼涵蓋垂直孔、側孔、鐵槽等所有信息，無須另行拷貝或傳輸CNC加工文件，工人僅需掃描條碼后機器即可自動打垂直孔、側孔、開槽等加工，全過程不需人工技術性干預；能進行加工合理性校驗，自動檢測工件尺寸與加工程序中尺寸是否匹配，如尺寸不符系統(tǒng)會發(fā)出警報并停止加工，杜絕人工上料錯誤帶來的損失；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，采用全自動夾鉗固定并移動板材，擺脫工件固定對吸附的依賴，夾持更穩(wěn)定，小板材也夾持穩(wěn)固，便于加工；帶有氣浮臺面，確保板材表面不會被劃傷或磨損。

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 結語

在傳統(tǒng)的板式家具生產中，為適應板式家具大批量生產的需要，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)展和廣泛應用[5]，而且目前在一些中小型定制家具生產企業(yè)仍然采用這類鉆孔設備。盡管木工多軸排鉆生產效率較高，加工精度好，適合批量大板件加工，但其屬于半自動化設備，調機和裝卸刀具時間長，不適合個性化多種產品的加工。因此，目前對于先進的板式定制家具（家居）或智能制造生產企業(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備。這是因為這些數(shù)控鉆孔加工中心，操作簡便，自動化程度高，鉆孔加工速度快、效率高，能確?？孜?、孔距、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)控設備配套連成自動或智能生產線。應進一步提高設備的自動化和智能化水平，使之能同時滿足不同的產品需求，減少人為干預，并與上下游設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)上的互聯(lián)互通，朝著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的方向發(fā)展[10]。因此，積極采用數(shù)控鉆孔加工中心進行板式部件的鉆孔，對推動和實施板式定制家具的智能制造和轉型升級具有十分重要的現(xiàn)實意義。