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[木工加工] 家具CAD/CAM加工工艺过程及特点

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发表于 2021-3-14 01:38:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
计算机辅助家具设计与制造(FCAD/CAM-Furniture Computer AidedDesign/Manufacturing)是运用计算机技术完成家具设计及制造的通称。FCAD/CAM有广义和狭义之分,广义FCAD/CAM是指运用计算机辅助完成从家具原材料选配到制造出产品的全部制造活动,包括了直接制造活动和间接制造活动,涉及工艺准备、生产计划、物料计划、生产控制和质量保证等多项内容。狭义FCAD/CAM是计算机辅助数控加工,是将家具零部件加工的工艺路线和工序内容等信息输入计算机,计算机输出刀具加工的运动轨迹(刀位文件)和数控程序,用以控制数控机床完成家具某一零部件的加工。FCAD/CAM已成为先进设计与制造技术的重要组成部分,也是提高家具设计与制造水平的重要举措。
  FCAD/CAM是现代设计制造技术发展最为活跃的领域,已直接影响产品更新、生产发展和竞争能力。进入21世纪,意味着一个大批量生产时代的结束,刚性流水线已逐渐成为过去。对于家具制造业面临的是一种具有高度柔性的、拥有高技术和能对市场需求作出迅速反应的设计与制造模式。这种新的制造模式的基础就是FCAD/CAM,即计算机辅助家具设计和辅助家具制造技术。
  面对家具市场激烈竞争,能否根据市场需求作出快速响应和决策是一个企业能否赢得市场的关键。而这种能力的基础取决于企业设计与制造的技术水平,以FCAD/CAM为基础的设计与制造技术可以用最快的速度向市场推出全新的产品,从而在市场竞争中处于主动。
  国内家具企业虽取得了很大的进步,但整体的设计与制造水平和发达国家相比还存在相当距离,有些家具企业对FCAD/CAM没有认识,笔者就实际应用的情况为例说明狭义FCAD/CAM工艺过程和加工特点。
1家具CAD/CAM的工艺过程
不同的产品有不同的加工工艺流程,其基本工艺流程如图1。由以下核心加工步骤组成:
  1.1输入文件
  运用CAD建立实体模型,绘制刀具的走刀路径,也可以文件形式输入,但输入文件的数据结构、格式相同或兼容。
  1.2定义刀具资讯
  定义刀具资讯(如刀具直径、加工刀片数、刀具形状等),选择进刀、走刀、退刀方式等。
  1.3设置加工参数
  设置加工的参数(进刀速度、刀具转速、切削速度、切削形式等)及机械或刀具的补偿等。
  1.4生成刀具轨迹
  生成刀具加工轨迹,并对刀具加工轨迹进行即时动态虚拟,并记录加工工艺卡。对有问题的程序返回重新进行修改。
  1.5输出NC码
  根据加工的CNC控制系统输出NC码。
  1.6数据传输
  计算机与CNC之间进行数据传输(可以通过网络、NCN、驱动器等)。
  2家具CAD/CAM加工特点
  家具的加工主要以木质材料为主,由于木质材料质地比较软,切削方式主要采用高速铣、刨、钻、锯、车、砂、雕刻等方式,目前市场上的CNC加工设备也多种多样,其加工刀具有各种铣刀、刨刀、雕刻刀,单头钻、多头钻,32mm系列排钻等,其加工方式不但考虑CAM系统刀具路径,而且还结合CNC加工设备所用刀具的特点,以完成各种不同形式的加工。
  2.1加工精度高
  CNC加工设备的结构决定,其设备精度都比较高,CNC设备的定位精度为±0.01mm,重复定位精度为±0.005mm。
  在加工过程中不需要操作人员作中间修正,工件的加工精度全部由机床保证,消除了操作人员的人为误差。因而加工出来的工件精度高,尺寸稳定。其形状和尺寸精度能满足各种家具对精度的要求。
2.2能加工复杂的型面
CNC加工设备的刀具运动轨迹是由加工程序决定的,因此只要能编制出程序,同时选用合适的CNC加工设备及相应的刀具,无论工件的型面多么复杂都能加工。选用图2所示的CNC设备,可以加工家具零部件的复杂曲面、各种线型;长期依赖手工方式的雕刻工艺,CNC加工设备也能完成,CNC加工设备使家具制造向数字化生产方式发展。file:///C:/Users/marky/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
随着数控CNC技术的发展,CAD/CAM用途也不断地扩大,能刨削大面积的曲面,能车削复杂的回转体的零件,并能锯切曲线零件,如图3所示。
2.3能加工各种结构的家具零部件file:///C:/Users/marky/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
  在CNC加工设备上配置不同的刀具及其附件,就可以完成各种定位孔、结构孔、32mm系列化、指接榫、各种榫头、槽榫,能满足实木和板式家具基本加工需要。图4所示的刀具与附件是CNC加工设备附件的一部分。
2.4生产效率高
CNC加工设备的主轴转速达25000rpm甚至更高,实现高速切削。X、Y定位速度已达到24m/min,Z轴定位速度9m/min,实现快速定位。通过合理选择切削参数,充分发挥刀具的切削性能,减少切削时间,而且加工过程稳定。不需要在加工过程中进行中间测量就能连续完成整个加工过程,减少了辅助动作时间和停机时间。CNC的加工轴已从早期的单轴向多轴发展,自动换刀也由单轴向多轴自动换刀发展,工作台由单个向两个发展,增加一次加工工件的数量,加工从单头向多头多轴联动发展,一次定位,实现铣、刨、钻等各种加工方式,大大提高生产效率,如图6所示。file:///C:/Users/marky/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg
2.5能实现大批量生产
CNC加工设备的加工范围也不断扩大,不但能满足小批量多品种,而且已能满足多品种大批量生产。如图5是出口美国的餐椅椅背部件大批量生产刀具路径及工件加工定位图,用一台8轴CNC分4轴一组联动生产,正常情况下可生产480件/小时。一些认为CNC加工设备只能用于小批量,多品种的认识是错误的。笔者实践发现,若设计与制造复杂零部件且批量很少,由于需要技术专业人员CAD/CAM编写NC码的工作量相当大,并不经济。file:///C:/Users/marky/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg
2.6调度简单
操作安全、可一人多机操作CNC加工设备出第一个合格工件后,工人只需要进行工件的装夹和启动机床,减轻了工人的劳动强度。现在家具有的CNC加工设备可靠性高,保护功能齐全,并且数控系统有自诊断和自停机功能,因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时,就能实现一人多机操作。file:///C:/Users/marky/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg
  CNC加工设备对操作者的技术水平虽然较普遍设备高,但是现代数控设备换刀方便,定位一般用相对坐标,刀具的参数、位置可以通过程序或机械进行数字化自动修正,多轴联动加工定位可以运用加工程序进行调刀。
  2.7经济效益明显
  虽然数控机床相对单台普遍机床投资高,一次投资及日常维护保养费用较普通机床也要高很多,但能避免采购大量专用设备,减少劳动力成本,。通过发挥CNC加工设备的加工能力,提高设备的利用率,节省企业大量购买专用设备的资金。CNC加工设备不仅生产效率高、加工质量高、加工质量好、废品少、生产周期短,而且能发挥新产品开发快的优势,从而提高经济效益。
  2.8可运用现代管理技术
  在数控机床上,加工所需要的时间是可以精确预计的,并且相同工件所用时间基本一致,因而可以精确估计工时和时费用。这有利于精确编制生产进度表,有利于均衡生产和取得更高的预计产量。
  用FCAD/CAM可以实现设计与制造即时化、并行化、网络化、大大缩短产品开发时间。
  3家具CAD/CAM缺点
  3.1人同素质要求高
  CNC加工设备对操作和设计人员要求高,不但要懂CAD/CAM,还必须熟悉家具生产工艺,二者缺一不可。
  3.2设备复杂
  由于设备复杂系数高,对维护者的技术水平要求相应增高,而且维护费用比普通设备高。
  3.3小刀具不宜
  当加工所用的刀具直径小于5mm时,由于刀具太小,线速度太低,影响加工质量。
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