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五轴数控加工如何保证个性化实木家具的批量生产!

近十年来,我国科技以及工业制造水平高速增长,智能制造理念广泛应用至各行各业,生产技术的提高与市场个性化的需求相互作用,带动了新技术的突破与市场的不断迭代。对于目前兴起的定制家具行业,数控加工设备的应用大大提高了企业的生产效率,在多轴数控加工工艺逐渐成熟的背景下,个性化实木家具的批量化生产不再是一项矛盾的难题。

 

1. 市场需求迭代,引领技术发展

 

1.1 定制实木家具市场的兴起

 

当今社会,居民的生活水平以及需求在不断提高,定制家具受到了广大消费者的欢迎。人们个性化的需求、快节奏的生活无疑对于实木家具的生产开发提出了更高的要求。对于实木家具中的异形家具等,由于其加工难度相对较大且复杂,所以在传统加工方式中,几乎离不开多步骤的人工加工参与,要解决个性化的实木家具定制生产需要,先进制造技术就需要投入开发应用。

 

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五轴数控加工如何保证个性化实木家具的批量生产!

图1常见的实木家具异形件及加工

 

1.2 五轴数控加工工艺日趋成熟

 

经济全球化带动了产业分工和产业链转移,家具制造业产能日益激增,市场的变革同样带动了制造模式及其技术的发展,传统的生产方式已然不能满足当今消费者个性化、多样化的需求,所以通过高新技术和先进制造工艺来提高企业生产效率成为了缓解生产压力的关键手段。近年来,制造业的焦点不断向智能化、柔性化偏移,随着数控加工技术的不断发展,五轴数控加工技术得到了广泛的应用,趋向成熟。

数控加工技术是制造业机电一体化的产物,上个世纪50年代以来,数控加工技术经过多个阶段的迭代发展,取得了巨大的技术进步。随着数控技术的不断成熟,五轴数控加工技术在越来越多的领域中得到了广泛的应用,特别是对于连续、平滑的复杂曲面和零件等,五轴数控加工技术无疑是高效率解决问题的关键手段。

 

2.五轴数控加工技术介绍

 

2.1 设备工艺介绍

 

五轴电脑数控加工中心是指集计算机控制、高性能伺服驱动、精密加工技术和软件技术于一体的、扩展五轴联动功能的高速电脑数控加工中心, 其系统集成特性可提供较高的加工效率和加工能力。

 

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图2 巴吉五轴数控加工中心(MASTER PRO)

 

2.2 五轴加工形式

 

五轴数控加工中心是在X、Y、Z正交的三轴驱动系统内,另外加装倾斜与旋转的双轴旋转系统,分别是三个直线轴(XYZ)和两个旋转轴(AB)或者是(AC),其中X、Y、Z坐标决定刀具位置,旋转坐标决定刀具方向,采用不同形式的五轴数控机床,可以满足多类产品的加工需求。目前市场上,五轴数控加工中心虽然品牌繁多、形态各异,但根据机床运动模式的不同组合,主要有主轴倾斜式、工作台倾斜式、工作台/主轴倾斜式三大类形式。

 

(1)主轴倾斜式五轴数控机床

两个旋转轴都在主轴头一侧的机床结构,称为主轴倾斜五轴机床,或称为双摆头结构五轴机床,这种机床通常有以下三大特点:①主轴运动灵活,工作台承载能力强且尺寸可以设计的非常大。②适用于加工船舶推进器,飞机机身模具、汽车覆盖件模具等大型零部件。③主轴的刚性和承载能力较低,不利于重载切削。

常见的结构形式有十字交叉型双摆头五轴数控机床结构(十字交叉摆头形式)与刀轴俯垂型五轴数控机床结构(俯垂型摆头式)。

 

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图3十字交叉摆头形式(左)与俯垂型摆头式(右)

 

(2)工作台倾斜式

两个旋转轴都在工作台一侧的机床结构,称为工作台倾斜式五轴数控机床,或称为双转台五轴结构机床,这种机床的特点通常为:①主轴结构简单,刚性较好。②制造成本较低,C轴回转台可无限制旋转,但由于工作台为主要回转部件,尺寸受限。③承载能力不大,不适合加工过大的零件。

常见的结构形式有双转台(摇篮式)结构五轴数控机床与B轴俯垂工作台五轴数控机床。

 

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图4双转台式(左)与俯垂型转台(右)

 

(3)工作台/主轴倾斜式

两个旋转轴中的主轴头设置在刀轴一侧,另一个旋转轴在工作台一侧,称为工作台/主轴倾斜式五轴结构,或称为摆头转台式五轴结构,其特点为:旋转轴的结构布局较为灵活,可以是A/B/C三轴中的任意两轴组合,这种结构结合了主轴倾斜和工作台倾斜的优点,加工灵活性和承载能力均有所改善。

 

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图5工作台/主轴倾斜式

 

2.3 五轴技术在实木家具中的应用

 

五轴数控在实木家具、木雕等行业的应用,逐渐向成套化、智能化发展,对于传统的车削、铣削、雕刻、钻孔、镗孔、铰孔、锯切、开槽、砂光等加工流程及步骤,仅需一台五轴数控加工设备即可完成,对于实木家具尤其是定制家具中复杂的曲面形状和结构,五轴数控加工技术具有灵活和高度的自由性,在加工家具以及木雕工艺品时具有碾压性的优势,成品质量也往往更好。

 

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图6巴吉五轴设备加工的实木家具件

 

对于实木家具五轴数控加工技术,笔者采访了具有百年历史的木工机械生产商PAOLINO BACCI S.R.L.(意大利宝利诺巴吉木工机械有限公司),巴吉以技术和创新为其核心理念,自2003年引入国内以来,已为诸多制造企业提供了巨大的价值。据调研,巴吉的主推产品有三种,在同类设备加工形式上具有一定的代表性,分别为:

 

(1)Artist.TGV

ARTIST.TGV是巴吉(BACCI)加工中心中最灵活的6轴联动CNC加工中心。带有2个独立的TGV工作台,配备一个T2+2型操作头。适用于椅子、桌子、床等家具和运动器材、乐器、塑料及复合材料的元件加工。

 

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图7巴吉Artist.TGV系列五轴数控机床

 

(2)Master.TGV

MASTER.TGV是全能的6轴联动CNC加工中心。配有高刚性的龙门框架结构,2个独立的TGV工作台和多个独立电主轴工作头,可配备自动刀具库。适用于椅子、桌子、床等家具和运动器材、乐器、塑料及复合材料的元件加工。

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图8巴吉Master.TGV系列五轴数控机床

 

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图9巴吉Master.TGV加工的实木零部件

 

(3)Doublejet

DOUBLE JET是一款双头加工中心,具有 6+6 个插补轴,可以用两个5轴头同时加工同一工件,配备自动装料/卸料系统。两个独立台面配备3+3气动夹具,台面夹具具有在pitagora里可视化调整,机器自动定位功能。

 

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图10巴吉Double jet系列五轴数控机床

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图11巴吉Double jet加工的实木零部件

 

家居制造企业通过引入五轴数控加工设备,能够解决传统生产模式中产品开发成本高、周期长、品质不稳定、销售及管理不协同等问题,满足市场对于个性化的实木家具生产需要,使得企业在变幻莫测的生存环境中能够顺应潮流趋势。

 

2.4 工艺优势

 

基于经济与科技的发展,制造部门的研发与创新能力通常是企业核心竞争力的表现,数控技术的普及应用已为实木家具制造业带来转型与机遇,五轴数控加工技术的引入更推动行业向自动化、智能化发展。相较于传统加工方式,五轴数控加工设备集技术、控制、计算于一体,体现了精度上、效率上和成本上的卓越优势。

 

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图12巴吉五轴数控设备精细加工过程

 

(1)复杂曲面的加工独具优势

对于实木家具中的雕花式样、曲面实木家具部件,一般的三轴数控机床很难做到一次装夹完成连续、平滑的自由曲面加工。三轴切削时,工作台面无法随作业灵活转换角度,当被切削件处于非最优状态时,切削刀具在试件表面容易留下类似加工中心点这样的硬性加工痕迹。而五轴切削可以在刀具切削工作保持良好转速度的同时,灵活快速转变工作面,保证试件的被加工过程尽量在匀速的过程中进行,减少加工痕迹,增强工件表面的视觉体验以及质感。

 

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图13巴吉五轴数控加工的家具异形件

 

(2)自动化水平高,提升加工效率

当今消费者的需求呈现多样化和个性化的特征,基于市场需求的敏捷制造模式或成为实木定制家具企业提高自身竞争力的重要手段。五轴数控加工工艺由于自动化程度高,人工参与度相对较少,有效降低了产品制造线中人工参与的时间成本和人力成本,通过五轴数控软件前期程序的编写设计与检查,降低了加工过程中人为因素的干涉,从而提高整体加工效率。

 

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图14巴吉五轴数控加工家具异形件

 

(3)功能复合化,精简工序

传统加工模式中,不同的工段需要不同的加工机床与技术工人参与,而五轴数控加工中心具有独立工作台以及自动刀具库,复杂的加工工序通过功能复合而得到精简。从最简单的切割到最精细的造型加工、螺纹加工以及孔位加工等方面,五轴数控加工设备皆可灵活切换,相较于三轴加工工序,过程更加流畅与高效。

对于实木家具复杂异形件的加工,三轴加工模式针对不同切削工序,需要对工件进行多次换刀-装夹-对刀-确定无误-再加工的过程,而且多用于确定的初始加工平面。五轴数控加工可以灵活切换与对刀,对于异形件曲面、底侧面的加工、打孔等,一次装夹即可在预定的加工轨迹中完成整个工件的加工。

 

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图15巴吉设备自动化加工的家具部件

 

(4)便于智能化管理,安全性高

在智能制造时代,企业通过引入五轴数控加工设备以配合其智能生产管理,是应对市场不断升级变革的重要手段。从加工参数设定、程序汇编、刀具库管理、智能计算到参数可视化、动态预测以及加工环境的虚拟仿真、自检查自修复功能等等,五轴数控加工设备在加工准确性与安全性上都具有可观的表现。

 

4. 写在最后

 

当今社会信息技术高速发展,市场需求瞬息万变,不断向智能化、敏捷化发展的生产制造模式也不断催生新技术的产生。目前定制家具生产模式具有买方市场主导、客户细分、模块化与标准化设计、协同开发等特点,定制实木家具企业通过结合五轴数控加工工艺与先进的生产管理系统,开发生产的产品既能满足广大消费者的个性化需求,又能保证生产成本、效率的提升,是大规模定制批量化生产的一大实践。

随着五轴数控加工技术的不断成熟,机器的精度、稳定性、可视化编程与安全性得到了有效的保证。目前,越来越多的家具企业选择与设备生产商合作,通过引入先进的五轴数控加工设备来精简产线配置、提升产品质量,从而缩短产品从定制到生产、交付的周期,以提升整体工作效率。

据笔者采访的巴吉企业介绍,他们在五轴设备的安装、培训、故障检修等售后服务方面,就已经能够做到全流程提供高效服务,机器的寿命、稳定性和安全性也能达到以往常见品牌的三倍,所以在当今竞争愈加激烈的定制家具市场,五轴智能加工设备的普及与应用显然已为大势所趋,是家具业全面迈向智能制造时代的一大脚步。

 

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