五軸數控加工如何保證個性化實木家具的批量生產!

                          近十年來,我國科技以及工業制造水平高速增長,智能制造理念廣泛應用至各行各業,生產技術的提高與市場個性化的需求相互作用,帶動了新技術的突破與市場的不斷迭代。對于目前興起的定制家具行業,數控加工設備的應用大大提高了企業的生產效率,在多軸數控加工工藝逐漸成熟的背景下,個性化實木家具的批量化生產不再是一項矛盾的難題。

                           

                          1. 市場需求迭代,引領技術發展

                           

                          1.1 定制實木家具市場的興起

                           

                          當今社會,居民的生活水平以及需求在不斷提高,定制家具受到了廣大消費者的歡迎。人們個性化的需求、快節奏的生活無疑對于實木家具的生產開發提出了更高的要求。對于實木家具中的異形家具等,由于其加工難度相對較大且復雜,所以在傳統加工方式中,幾乎離不開多步驟的人工加工參與,要解決個性化的實木家具定制生產需要,先進制造技術就需要投入開發應用。

                           

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                          圖1常見的實木家具異形件及加工

                           

                          1.2 五軸數控加工工藝日趨成熟

                           

                          經濟全球化帶動了產業分工和產業鏈轉移,家具制造業產能日益激增,市場的變革同樣帶動了制造模式及其技術的發展,傳統的生產方式已然不能滿足當今消費者個性化、多樣化的需求,所以通過高新技術和先進制造工藝來提高企業生產效率成為了緩解生產壓力的關鍵手段。近年來,制造業的焦點不斷向智能化、柔性化偏移,隨著數控加工技術的不斷發展,五軸數控加工技術得到了廣泛的應用,趨向成熟。

                          數控加工技術是制造業機電一體化的產物,上個世紀50年代以來,數控加工技術經過多個階段的迭代發展,取得了巨大的技術進步。隨著數控技術的不斷成熟,五軸數控加工技術在越來越多的領域中得到了廣泛的應用,特別是對于連續、平滑的復雜曲面和零件等,五軸數控加工技術無疑是高效率解決問題的關鍵手段。

                           

                          2.五軸數控加工技術介紹

                           

                          2.1 設備工藝介紹

                           

                          五軸電腦數控加工中心是指集計算機控制、高性能伺服驅動、精密加工技術和軟件技術于一體的、擴展五軸聯動功能的高速電腦數控加工中心, 其系統集成特性可提供較高的加工效率和加工能力。

                           

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                          圖2 巴吉五軸數控加工中心(MASTER PRO)

                           

                          2.2 五軸加工形式

                           

                          五軸數控加工中心是在X、Y、Z正交的三軸驅動系統內,另外加裝傾斜與旋轉的雙軸旋轉系統,分別是三個直線軸(XYZ)和兩個旋轉軸(AB)或者是(AC),其中X、Y、Z坐標決定刀具位置,旋轉坐標決定刀具方向,采用不同形式的五軸數控機床,可以滿足多類產品的加工需求。目前市場上,五軸數控加工中心雖然品牌繁多、形態各異,但根據機床運動模式的不同組合,主要有主軸傾斜式、工作臺傾斜式、工作臺/主軸傾斜式三大類形式。

                           

                          (1)主軸傾斜式五軸數控機床

                          兩個旋轉軸都在主軸頭一側的機床結構,稱為主軸傾斜五軸機床,或稱為雙擺頭結構五軸機床,這種機床通常有以下三大特點:①主軸運動靈活,工作臺承載能力強且尺寸可以設計的非常大。②適用于加工船舶推進器,飛機機身模具、汽車覆蓋件模具等大型零部件。③主軸的剛性和承載能力較低,不利于重載切削。

                          常見的結構形式有十字交叉型雙擺頭五軸數控機床結構(十字交叉擺頭形式)與刀軸俯垂型五軸數控機床結構(俯垂型擺頭式)。

                           

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                          圖3十字交叉擺頭形式(左)與俯垂型擺頭式(右)

                           

                          (2)工作臺傾斜式

                          兩個旋轉軸都在工作臺一側的機床結構,稱為工作臺傾斜式五軸數控機床,或稱為雙轉臺五軸結構機床,這種機床的特點通常為:①主軸結構簡單,剛性較好。②制造成本較低,C軸回轉臺可無限制旋轉,但由于工作臺為主要回轉部件,尺寸受限。③承載能力不大,不適合加工過大的零件。

                          常見的結構形式有雙轉臺(搖籃式)結構五軸數控機床與B軸俯垂工作臺五軸數控機床。

                           

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                          圖4雙轉臺式(左)與俯垂型轉臺(右)

                           

                          (3)工作臺/主軸傾斜式

                          兩個旋轉軸中的主軸頭設置在刀軸一側,另一個旋轉軸在工作臺一側,稱為工作臺/主軸傾斜式五軸結構,或稱為擺頭轉臺式五軸結構,其特點為:旋轉軸的結構布局較為靈活,可以是A/B/C三軸中的任意兩軸組合,這種結構結合了主軸傾斜和工作臺傾斜的優點,加工靈活性和承載能力均有所改善。

                           

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                          圖5工作臺/主軸傾斜式

                           

                          2.3 五軸技術在實木家具中的應用

                           

                          五軸數控在實木家具、木雕等行業的應用,逐漸向成套化、智能化發展,對于傳統的車削、銑削、雕刻、鉆孔、鏜孔、鉸孔、鋸切、開槽、砂光等加工流程及步驟,僅需一臺五軸數控加工設備即可完成,對于實木家具尤其是定制家具中復雜的曲面形狀和結構,五軸數控加工技術具有靈活和高度的自由性,在加工家具以及木雕工藝品時具有碾壓性的優勢,成品質量也往往更好。

                           

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                          圖6巴吉五軸設備加工的實木家具件

                           

                          對于實木家具五軸數控加工技術,筆者采訪了具有百年歷史的木工機械生產商PAOLINO BACCI S.R.L.(意大利寶利諾巴吉木工機械有限公司),巴吉以技術和創新為其核心理念,自2003年引入國內以來,已為諸多制造企業提供了巨大的價值。據調研,巴吉的主推產品有三種,在同類設備加工形式上具有一定的代表性,分別為:

                           

                          (1)Artist.TGV

                          ARTIST.TGV是巴吉(BACCI)加工中心中最靈活的6軸聯動CNC加工中心。帶有2個獨立的TGV工作臺,配備一個T2+2型操作頭。適用于椅子、桌子、床等家具和運動器材、樂器、塑料及復合材料的元件加工。

                           

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                          圖7巴吉Artist.TGV系列五軸數控機床

                           

                          (2)Master.TGV

                          MASTER.TGV是全能的6軸聯動CNC加工中心。配有高剛性的龍門框架結構,2個獨立的TGV工作臺和多個獨立電主軸工作頭,可配備自動刀具庫。適用于椅子、桌子、床等家具和運動器材、樂器、塑料及復合材料的元件加工。

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                          圖8巴吉Master.TGV系列五軸數控機床

                           

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                          圖9巴吉Master.TGV加工的實木零部件

                           

                          (3)Doublejet

                          DOUBLE JET是一款雙頭加工中心,具有 6+6 個插補軸,可以用兩個5軸頭同時加工同一工件,配備自動裝料/卸料系統。兩個獨立臺面配備3+3氣動夾具,臺面夾具具有在pitagora里可視化調整,機器自動定位功能。

                           

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                          圖10巴吉Double jet系列五軸數控機床

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                          圖11巴吉Double jet加工的實木零部件

                           

                          家居制造企業通過引入五軸數控加工設備,能夠解決傳統生產模式中產品開發成本高、周期長、品質不穩定、銷售及管理不協同等問題,滿足市場對于個性化的實木家具生產需要,使得企業在變幻莫測的生存環境中能夠順應潮流趨勢。

                           

                          2.4 工藝優勢

                           

                          基于經濟與科技的發展,制造部門的研發與創新能力通常是企業核心競爭力的表現,數控技術的普及應用已為實木家具制造業帶來轉型與機遇,五軸數控加工技術的引入更推動行業向自動化、智能化發展。相較于傳統加工方式,五軸數控加工設備集技術、控制、計算于一體,體現了精度上、效率上和成本上的卓越優勢。

                           

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                          圖12巴吉五軸數控設備精細加工過程

                           

                          (1)復雜曲面的加工獨具優勢

                          對于實木家具中的雕花式樣、曲面實木家具部件,一般的三軸數控機床很難做到一次裝夾完成連續、平滑的自由曲面加工。三軸切削時,工作臺面無法隨作業靈活轉換角度,當被切削件處于非最優狀態時,切削刀具在試件表面容易留下類似加工中心點這樣的硬性加工痕跡。而五軸切削可以在刀具切削工作保持良好轉速度的同時,靈活快速轉變工作面,保證試件的被加工過程盡量在勻速的過程中進行,減少加工痕跡,增強工件表面的視覺體驗以及質感。

                           

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                          圖13巴吉五軸數控加工的家具異形件

                           

                          (2)自動化水平高,提升加工效率

                          當今消費者的需求呈現多樣化和個性化的特征,基于市場需求的敏捷制造模式或成為實木定制家具企業提高自身競爭力的重要手段。五軸數控加工工藝由于自動化程度高,人工參與度相對較少,有效降低了產品制造線中人工參與的時間成本和人力成本,通過五軸數控軟件前期程序的編寫設計與檢查,降低了加工過程中人為因素的干涉,從而提高整體加工效率。

                           

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                          圖14巴吉五軸數控加工家具異形件

                           

                          (3)功能復合化,精簡工序

                          傳統加工模式中,不同的工段需要不同的加工機床與技術工人參與,而五軸數控加工中心具有獨立工作臺以及自動刀具庫,復雜的加工工序通過功能復合而得到精簡。從最簡單的切割到最精細的造型加工、螺紋加工以及孔位加工等方面,五軸數控加工設備皆可靈活切換,相較于三軸加工工序,過程更加流暢與高效。

                          對于實木家具復雜異形件的加工,三軸加工模式針對不同切削工序,需要對工件進行多次換刀-裝夾-對刀-確定無誤-再加工的過程,而且多用于確定的初始加工平面。五軸數控加工可以靈活切換與對刀,對于異形件曲面、底側面的加工、打孔等,一次裝夾即可在預定的加工軌跡中完成整個工件的加工。

                           

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                          圖15巴吉設備自動化加工的家具部件

                           

                          (4)便于智能化管理,安全性高

                          在智能制造時代,企業通過引入五軸數控加工設備以配合其智能生產管理,是應對市場不斷升級變革的重要手段。從加工參數設定、程序匯編、刀具庫管理、智能計算到參數可視化、動態預測以及加工環境的虛擬仿真、自檢查自修復功能等等,五軸數控加工設備在加工準確性與安全性上都具有可觀的表現。

                           

                          4. 寫在最后

                           

                          當今社會信息技術高速發展,市場需求瞬息萬變,不斷向智能化、敏捷化發展的生產制造模式也不斷催生新技術的產生。目前定制家具生產模式具有買方市場主導、客戶細分、模塊化與標準化設計、協同開發等特點,定制實木家具企業通過結合五軸數控加工工藝與先進的生產管理系統,開發生產的產品既能滿足廣大消費者的個性化需求,又能保證生產成本、效率的提升,是大規模定制批量化生產的一大實踐。

                          隨著五軸數控加工技術的不斷成熟,機器的精度、穩定性、可視化編程與安全性得到了有效的保證。目前,越來越多的家具企業選擇與設備生產商合作,通過引入先進的五軸數控加工設備來精簡產線配置、提升產品質量,從而縮短產品從定制到生產、交付的周期,以提升整體工作效率。

                          據筆者采訪的巴吉企業介紹,他們在五軸設備的安裝、培訓、故障檢修等售后服務方面,就已經能夠做到全流程提供高效服務,機器的壽命、穩定性和安全性也能達到以往常見品牌的三倍,所以在當今競爭愈加激烈的定制家具市場,五軸智能加工設備的普及與應用顯然已為大勢所趨,是家具業全面邁向智能制造時代的一大腳步。

                           

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