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[制造工艺] 实木家具角部组合榫结构功能性改进研究 杨跃倩1, 徐 伟1,2*, 张 琳1, 王亚楠1...

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    实木家具角部组合榫结构功能性改进研究
    杨跃倩1, 徐 伟1,2*, 张 琳1, 王亚楠1, 肖子璇1
    (1.南京林业大学家居与工业设计学院,江苏 南京 210037;2.江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210037)
    摘 要:介绍了榫的结构改进及新型榫的生产工艺。改进后的双榫头结构增加了组合榫的强度,将榫头集中到一个部件上使加工过程中不需频繁更换铣刀,提高了加工效率。
    关键词:实木家具;椭圆榫;结构改进

    [size=1em]随着人们生活水平的提高,越来越多的人钟爱于实木家具,即使在2009年经济危机的情况下,实木家具行业也有一定的发展,保持了稳定的增长速度[1]。实木家具做工复杂成本高,为降低成本和简化结构,同时对产品的性能和外观不造成损害[2],应努力实现家具实木企业榫结构的标准化[3]。为此,笔者在榫卯自身的结构上做简化改进,使其满足大规模生产中模块化、标准化、通用化的设计要求[4-5]。

    1 榫的结构改进及安装1.1 榫结构改进

    [size=1em]实木家具结构强度的关键在于家具零部件的榫接合强度,为了适应家具市场的技术革新,常采用椭圆榫加胶来结合固定。椭圆榫结构简单易加工,没有复杂的稳固缩紧结构,在结合时为了保证强度足够,每两个零件结合时都会保证至少有一对榫头和榫眼相对应,这就造成了面对复杂组合零件时,可能在一个主结构上开很多榫眼,这样会破坏该结构的力学性能,大大削弱结构强度。为了解决这一问题,笔者提出了椭圆榫双榫头结构的概念,这是一种实木家具面板腿部及望板的组合榫结构,如图1所示。该整体结构中的主要力学支撑结构为腿部,在腿部顶部留出两个榫头(第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头),而把榫眼分别分布到其他结构(望板一、望板二、面板)上,保证了组合榫结构中腿部不受破坏,提高了腿部零件的强度,也保证了结合强度,同时简化了加工结构,更适应当前需求下的大批量生产。

    [size=0.8em]图1 榫结构改进
    1.腿部;2.第一榫头;3.第二榫头;4.望板一;5.第一榫眼;6.第一缺槽;7.望板二;8.第二榫眼;9.第二缺槽;10.面板;11.第三榫眼;12.第四榫眼

    [size=1em]望板一的第一缺槽正上方的板面和望板二的第二缺槽正上方的板面尺寸相等且均为三角形,第一榫眼位于望板一的第一缺槽正上方的板面上,第二榫眼位于望板二第二缺槽正上方的板面上,望板一第一缺槽正上方的板面位于腿部顶部对角线一侧,望板二第二缺槽正上方的板面位于腿部顶部对角线另一侧。第一榫眼和第二榫眼深度相等,第三榫眼和第四榫眼深度相等。第三榫眼和第四榫眼未贯穿所述面板上表面。 腿部顶部的第一椭圆形榫头与望板一的第一榫眼插接并通过胶固定连接,腿部顶部的第二椭圆形榫头与望板二的第二榫眼插接并通过胶固定连接,腿部顶部的第一椭圆形榫头与面板的第三榫眼插接并通过胶固定连接,腿部顶部的第二椭圆形榫头与面板的第四榫眼插接并通过胶固定连接。

    1.2 榫结构改进后的优势

    [size=1em](1)椭圆形榫卯更能适应现代工厂的机械加工,能够大批量生产。上述所有榫头(第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头)均集中到一个主支撑构件(腿部)上,保证了榫眼(第一榫眼、第二榫眼、第三榫眼、第四榫眼)能够分散到其他构件(望板一、望板二和面板)上,提高了力学强度。

    [size=1em](2)腿部采用椭圆榫头的双榫结构,没有榫眼,这就保证了组合结构中的主要承重结构不受破坏,增强了整个零件的强度,也即增强了家具的强度。

    [size=1em](3)整体结构更简洁,所有榫卯结构由除了长度不同其他尺寸都相同的榫头和除了深度不同其他尺寸都相同的榫眼组成,在加工过程中避免了频繁更换铣刀,节省时间,提高了加工效率[6]。

    [size=1em](4)受限于家具制造技术和成本的制约,大部分的榫卯连接需要补强介质,榫卯通常可拆卸、可自装或二次装卸[7]。家具的可拆装性是促进家具发展的重要条件之一[8-9],此改进降低了安装操作的难度。

    1.3 组合安装

    [size=1em]组合榫结构包括面板、望板一、望板二和腿部,腿部的顶部分别设有第一榫头和第二榫头,望板一的一端下表面铣有第一缺槽且该端表面开设有第一榫眼,第一榫眼位于第一缺槽正上方,望板二的一端下表面铣有第二缺槽且该端表面开设有第二榫眼,第二榫眼位于第二缺槽正上方,面板拐角处的下表面(背面)开设有与第一椭圆形榫头位置匹配的第三榫眼以及与第二椭圆形榫头位置匹配的第四榫眼;望板一的第一缺槽与腿部顶部一侧贴合且腿部顶部的第一椭圆形榫头用于插入到望板一的第一榫眼内,从而实现腿部顶部的第一椭圆形榫头与望板一第一榫眼的固定连接,望板二的第二缺槽与腿部顶部另一侧贴合且腿部顶部的第二椭圆形榫头用于插入到望板二的第二榫眼内,从而实现腿部顶部第二椭圆形榫头与望板二第二榫眼的固定连接,面板的下表面均与望板一和望板二的上表面贴合,腿部顶部的第一椭圆形榫头用于插入到面板的第三榫眼内且腿部顶部的第二椭圆形榫头用于插入到面板的第四榫眼内,从而实现腿部顶部的第一椭圆形榫头与面板第三榫眼的固定连接以及腿部顶部第二椭圆形榫头与面板第四榫眼的固定连接[10]。

    [size=1em]腿部为长方体形状,第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头的尺寸相等且关于腿部截面对角线相对称。望板一第一缺槽正上方的板面和望板二第二缺槽正上方的板面尺寸相等且均为三角形,第一榫眼位于望板一的第一缺槽正上方的板面上,第二榫眼位于望板二的第二缺槽正上方的板面上,所述望板一的第一缺槽正上方的板面位于腿部顶部对角线一侧,所述望板二的第二缺槽正上方的板面位于腿部顶部对角线另一侧。榫安装过程如图2所示。

    [size=0.8em]图2 榫安装过程
    1.腿部;2.第一榫头;3.第二榫头;4.望板一;5.第一榫眼;6.望板二;7.第二榫眼;8.面板

    2 生产工艺

    [size=1em]为方便计算,以具体尺寸为例,所设尺寸可根据部件尺寸稍作修改,但要保证腿部上的榫头及望板一、望板二和面板上榫眼对应的尺寸能组合拼接到一起,第一榫眼和第二榫眼的深度相等,第三榫眼和第四榫眼的深度相等,第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头的长度均相等,且等于第一榫眼的深度加上第三榫眼深度的总和减1~2 mm的安装余量即可,等于第二榫眼的深度加上第四榫眼深度的总和减1~2 mm的安装余量即可[12]。图3所示为铣刀走位路线图。所设尺寸为第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头的尺寸相等:长度24 mm、宽度24 mm、厚度7.5 mm;第一榫眼和第二榫眼均为贯穿榫眼,深度为15 mm;第三榫眼和第四榫眼由面板底部往上打,深度为10 mm。

    [size=0.8em]图3 铣刀走位

    [size=1em](1)将待开榫料按尺寸划线并选择一基准面置于数控榫头机上,并将待开榫料用夹具固定。

    [size=1em](2)在开榫机上设置所需第一椭圆形榫头尺寸或第二椭圆形榫头尺寸的加工程序,在待开榫料上以8字走位加工出第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头,其中8字走位参见图3中的箭头指示方向,走刀速度取240~270 r/min,第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头的加工时间共为18~20 s,加工完成后得到腿部。腿部的第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头为双榫结构,双榫结构在加工时要注意在双榫头(第一椭圆形榫头和第二椭圆形榫头)之间留有足够的间隙能够使刀具通过[11]。

    [size=1em](3)取两个待开榫眼料,在其中一个的端部铣出所需端部形状及第一缺槽,将该料按尺寸划线并选择一基准面置于榫眼机上,用夹具将该料固定,在榫眼机上设置所需第一榫眼尺寸的加工程序,通过榫眼机在该待开榫眼料上打出贯通的第一榫眼,且该第一榫眼位于第一缺槽的正上方,得到望板一;在另一个待开榫眼料的端部铣出所需端部形状及第二缺槽,将该料按尺寸划线并选择一基准面置于榫眼机上,用夹具将该料固定,在榫眼机上设置所需第二榫眼尺寸的加工程序,通过榫眼机在该料上打出贯通的第二榫眼,且该第二榫眼位于第二缺槽的正上方,得到望板二;本步骤中加工第一榫眼和第二榫眼的走刀速度均为240~270 r/min,每个榫眼加工时间均为9~10 s。

    [size=1em](4)取一个待开榫眼的板料,将该板料按尺寸划线并选择一基准面置于榫眼机上,用夹具将该板料固定,在榫眼机上设置所需第三榫眼尺寸和第四榫眼尺寸的加工程序,通过榫眼机在板料上分别打出与第一椭圆形榫头位置相对应的第三榫眼以及与第二椭圆形榫头位置相对应的第四榫眼,第三榫眼和第四榫眼的深度为10 mm,得到面板;由于本例中所有榫眼仅仅是深度不同,其他尺寸均相同,故用同一走刀速度,方便加工,因此本步骤加工第三榫眼和第四榫眼的走刀速度也均为240~270 r/min,每个榫眼加工时间均为9~10 s。为提高效率,在加工面板上的第三榫眼和第四榫眼时可使用双刀头。

    [size=1em](5)对加工好的腿部、望板一、望板二和面板进行表面处理,如砂光打磨等,要求在机器加工过程中预留出一部分打磨尺寸,打磨后刚好可以插入即可,最后组装。

    3 结束语

    [size=1em]近年来定制家具市场飞速发展,与成品家具企业相比,定制家具企业的平均营业收入水平更高[13-14],企业向产业化、定制化发展是一种必然。本设计改良型组合榫结构加工简单、性能优良、组装方便,有利于推动企业的榫结构走向标准化。

    [size=1em]参考文献:

    [size=1em][1] 万千.实木家具中榫卯结构的再设计研究[D].北京:北京理工大学,2015.

    [size=1em][2] 刘秋云.探析榫卯结构在现代家具设计中的传承与创新[J].美与时代:城市版,2015(8):63-64.

    [size=1em][3] 北方.2017年实木家具设计发展趋势[J].家具与室内装饰,2016(10):58-61.

    [size=1em][4] 徐俊华,朱炫霖,何蕊,等.基于成组技术的椭圆榫接合优化[J].林业工程学报,2017,2(6):144-149.

    [size=1em][5] 熊先青,赵琳琪,王承飞,等.儿童家具实木零部件成组技术的标准化设计研究[J].林业工程学报,2018,3(1):135-140.

    [size=1em][6] 苏剑萍,吕九芳.传统榫卯结构的现代化传承[J].家具,2017,38(2):50-52+86.

    [size=1em][7] 朱云,申黎明.面向用户装配的实木家具榫卯结构设计[J].林业工程学报,2018,3(3):142-148.

    [size=1em][8] 刘娜,陈于书.基于可拆装插接结构的家具设计研究[J].家具,2017,38(1):52-56.

    [size=1em][9] 王安正,关惠元.基于传统榫卯结构的家具可拆卸性设计研究[J].家具,2017,38(6):49-53.

    [size=1em][10] 王硕,吴智慧.基于拆装式结构的实木家具契合榫接合方式分析[J].林产工业,2016,43(4):28-31+39.

    [size=1em][11] 孟庆午.椭圆榫开榫机特点及原理探析[J].木工机床,1995(1):4-10.

    [size=1em][12] 钟世禄,关惠元.椭圆榫过盈配合量与木材密度的关系[J].林业科技开发,2007(2):57-59.

    [size=1em][13] 熊先青,吴智慧.家居产业智能制造的现状与发展趋势[J].林业工程学报,2018,3(6):11-18.

    [size=1em][14] 柯美元,成伟华,王镜.我国木工机械的智能化应用案例与发展目标[J].林业机械与木工设备,2018,46(2):4-9.


    Study on Functional Improvement in the Corner CompositeTenon Structure of Solid Word Furniture
    [size=1em]YANG Yue-qian1, XU Wei1,2*, ZHANG Lin1, WANG Ya-nan1, XIAO Zi-xuan1
    [size=1em](1.College of Furnishing and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangsu 210037,China;2.Jiangsu Co-innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing Jiangsu 210037,China)

    [size=1em]Abstract:Tenon structural improvement and a new tenon production process are introduced.The improved double-tenon head structure has increased the strength of composite tenons,with the tenon heads concentrated on one part,eliminating the need to frequently change milling cutters in the machining process,thereby improving efficiency.

    [size=1em]Key words:solid wood furniture;elliptic tenon;structural improvement


    [size=1em]中图分类号:TS664

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:2095-2953(2019)06-0030-04

    [size=1em]收稿日期:2019-04-08

    [size=1em]基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFD0601104);江苏省大学生创新创业训练计划项目(201810298126H)

    [size=1em]第一作者简介:杨跃倩(1997-),女,本科生,主要从事家具结构设计方面的研究,E-mail:2252429455@qq.com

    [size=1em]*通讯作者:徐 伟(1975-),男,教授,博士,主要从事家具与木制品工程方面的研究,E-mail:xuwei@njfu.edu.cn



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