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[封边机械与工艺] 板式家具激光封边设备 毛宇轩, 王金宝*

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    发表于 2020-4-21 09:12:48 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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    板式家具激光封边设备
    毛宇轩, 王金宝*
    (南京林业大学材料科学与工程学院,江苏 南京 210037)
    摘 要:通过对大量有关板式家具封边设备文献资料的阅读和整理,从传统直线封边设备出发,根据其设备结构、工作原理,以及封边加工材料的类型,分析了其缺陷和不足,并详细介绍和分析了近些年为改进传统封边设备不足而开发的激光封边设备。
    关键词:板式家具;直线封边设备;激光封边机

    [size=1em]板式家具封边设备就是利用单板条、封边条等材料将板式家具四周裸露在外的边缘部分封贴起来,从而达到美观、耐用、提高产品外观质量的一种常用木工机械设备。随着天然木材资源的日益紧缺和木质材料利用率的不断提高,木制家具的主要类型已从单一的实木家具向采用多种人造板和复合材料的板式家具方向发展[1-4]。板式家具的封边工艺是板式家具在生产过程中一道重要的工艺流程,封边质量的优劣将直接影响产品的整体品质,而封边机是板式家具封边加工中不可或缺的重要设备[5-7]。

    [size=1em]板式家具封边设备主要分为直线封边机、曲线封边机和曲直线封边机三大类。其中单面直线封边机最为常用,并且后两大类封边设备都是在单面直线封边机的基础上发展起来的。随着人们对板式家具封边质量要求的不断提高,直线封边设备也在不断地改进和发展[8-11]。

    1 传统直线封边设备

    [size=1em]直线封边机是指利用单板条或封边带等材料对板式工件的单一侧面进行直线形封边加工的机械设备,该设备可以自动地完成封边加工。

    1.1 主要结构及其工作原理

    [size=1em]目前比较常用的直线封边机一般由4个单元组成。依次为送带单元和预熔及涂胶单元、压力单元、齐头锯单元[12]。

    [size=1em]1.1.1 送带单元

    [size=1em]封边机一般配有卷式或定长匣盒用于摆放卷式或者定长封边膜,并通过匣盒将封边膜导向工件。其工作原理为:首先通过输入设备控制机器工件前侧运行至定位点,此时传送滚轮向前推进,压膜被传送到工件。当工件前侧运行至下一个定位点时传送轮回位,工件继续传送压膜。

    [size=1em]当加工对象为较薄或较易破损的压膜材料时一般使用镶橡胶的传送滚轮,而当加工对象为片状压膜材料时则使用带钉齿滚的镇压器传送滚轮。

    [size=1em]1.1.2 预熔及涂胶单元

    [size=1em]封边机的涂胶装置可以根据工艺需要将热熔胶熔化成颗粒状,并用涂胶辊按量将胶液输送到工件棱边上。涂胶质量的好坏将直接影响产品的封边效果和产品品质。

    [size=1em]板式家具封边一般使用热熔胶,这种胶水通常由合成材料组成并且在高温时会熔化。热熔胶盛装在储胶器中,通过涂胶辊将其涂在工件上。当封边材料传送到位后,压力区的压紧轮立即将其紧紧压在工件表面,随后通过冷却装置使胶水凝固,从而将封边材料与工件粘接起来。

    [size=1em]预熔装置的具体工作流程是:将热熔胶加入到熔胶颗粒容器中,熔胶粒子落入活塞前的料腔内,此时活塞向粒子施压,使之经过加热板进入预熔腔中。熔化的胶液通过加热的溢出孔流入储胶器中,直至储胶器中的胶液数量达到设定值时停止熔胶。预熔装置配有计量装置来确定涂胶量,当浸没式探针发现储胶器中胶水到达最低液位时即触发活塞再次动作。

    [size=1em]1.1.3 压力单元

    [size=1em]压力单元的结构比较简单,该单元工作时,转动的圆柱形预压滚轮跟随两个锥形复压滚轮,将封边材料压牢在工件的侧面上。在需要的情况下,可以适当地增加锥形复压滚轮的数量,同时可以通过旋转数码计数器的四方头来设置压膜的厚度。压力滚轮的施压强度与封边带的材料有关,因此正式工作前必须进行提前试验。

    [size=1em]1.1.4 齐头锯单元

    [size=1em]齐头锯单元主要用于封边材料超高部分的锯切。通过旋转使得边棱是直角或斜角,两种切削均通过刮切完成。该单元由两个互不关联的切割机构组成,其中下齐平锯用于切削前端多余的压膜材料,上齐平锯则用于切削后端多余的压膜材料。

    1.2 封边材料的选用

    [size=1em]传统板式家具直线封边加工所使用的封边材料主要包括塑料封边带以及以EVA和PUR为主的热熔胶。

    [size=1em]1.2.1 封边带

    [size=1em]目前市面上的板式家具所使用的封边材料主要有塑料封边带、木质封边条、纸质封边条以及金属封边条四大类[13]。其中纸质封边条由于封边质量比高且还有较多甲醛,所以通常用在背板等对于封边质量要求不高的场合,而金属封边条则多用于厨房、机房和实验室等特定场合,因此以上两种封边材料的使用范围不是特别广泛。木质封边条作为一类由实木制成的封边材料,在加工和使用过程中容易折断且必须根据使用环境和木材的干缩湿胀特性合理地控制封边条的含水率,从而导致其生产工艺比较复杂,生产效率较低,所以其应用范围也相对有限。

    [size=1em]针对绝大部分基材是胶合板、刨花板、纤维板、空心板和细木工板等人造板材的常用板式家具,塑料封边带无疑是最好的封边材料[14]。塑料封边带具有价格低廉、生产工艺简单、印刷颜色多样、施胶过程便捷、生产使用成本低、可以适应各类封边设备等诸多优势。目前市场上常用的塑料封边带主要由PVC(聚氯乙烯)、ABS(丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物)、PP(聚丙烯)以及PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等材料生产而成。

    [size=1em]1.2.2 热熔胶

    [size=1em]在传统板式家具封边工艺中,施胶工序通常由封边机来完成。针对常用的塑料封边带,目前绝大多数封边设备所使用的都是热熔胶,根据其成分的不同主要有EVA(乙烯—醋酸乙烯共聚物)热熔胶、PUR(聚氨基甲酸乙酯)热熔胶、聚酞胺热熔胶、聚烯烃热熔胶等类型[15]。其中以EVA热熔胶和PUR热熔胶最为常用。

    [size=1em]如前文所述,传统封边加工设备都配有预熔单元和涂胶单元。在封边加工过程中,涂胶辊将预熔好的胶液均匀涂抹在板式家具基材侧面待封边位置,送带单元同步运转将封边带输送至指定位置后压力区单元的锥形复压滚轮将封边带压紧在基材侧面,完成封边加工。

    2 传统封边设备的缺陷和不足

    [size=1em]传统板式家具封边设备经过长期的应用与发展,其加工技术和封边材料都已经相对成熟。该设备工作原理简单、易于操作,所使用的封边材料和热熔胶价格相对便宜、易于加工、市场接受程度良好。

    [size=1em]早期的直线封边机一般都没有配备铣刀单元,导致大多数产品的封边质量不高。特别是封边带较厚的产品,极易出现崩边及封边带撕裂等缺陷,降低了产品的美观度和耐用性。因此,近几年的直线封边机大多数都配备了铣刀单元,以提高封边的加工质量。

    [size=1em]封边机的铣刀单元工作原理:传统封边机一般配有两把转向相反的高速铣刀。第一把铣刀加工板材的前80%~90%的长度,然后板材尾部留50~100 mm,刀头退出。第二把铣刀因为转向为顺时针,所以用来加工剩余的部分,从而可防止板件尾部崩裂。理论上两把铣刀要确保在同一铣削平面,但在实际操作过程中,一般要求第二把铣刀的加工深度比第一把铣刀的加工深度深0.05 mm以内即可。当使用进口刀具时,一般上下的刀刃切割角度不同,所以板材以居中为佳。

    [size=1em]除此之外,传统封边设备还存在另一些缺陷和不足。首先,传统封边设备在生产过程中往往需要耗费较多的时间等待热熔胶熔化;其次,胶液在封边过程中容易溢出污染工件并且在需要更换胶液颜色时必须完全更换储胶器。传统封边设备最大的缺陷是封边带和板材间存在较为明显的接缝,即热熔胶的胶线清晰可见,其在一定程度上影响了产品的美观程度,而且长期使用容易出现封边带的脱落[16]。

    3 激光无缝封边加工设备3.1 无缝封边材料

    [size=1em]为了解决传统封边材料的缺陷,经过长期研究,一种新型无缝封边材料应运而生[17]。该技术将封边加工过程中的施胶环节提前至封边带的加工过程中,制造出了新型无缝封边带。这种封边带和普通的塑料封边带一样由PVC、ABS、PP以及PMMA等材料制作而成,其特殊之处在于加工过程中在封边带的底面涂上了一层具有粘连作用的功能性聚合物胶层,在使用时通过特殊设备使该封边带底面的胶层融化,从而完成封边加工[18]。

    [size=1em]通常情况下,新型无缝封边带的厚度规格为0.5~3.0 mm[19],封边带表面所涂的胶质功能层厚度可根据不同加工对象、不同加工工艺要求进行合理选择,一般当胶质功能层厚度为0.2 mm时,粘合情况最好且无痕[20]。

    3.2 激光封边机

    [size=1em]随着新型无缝封边材料的研制成功和投入使用,传统的封边加工设备也做出了相应的改进。目前国内外大型板式家具生产企业在使用新型无缝封边材料进行封边加工时通常使用的设备是激光封边机。

    [size=1em]3.2.1 激光封边机的工作流程

    [size=1em]激光封边设备的激光发射装置通过汇集多个发光二极管中发射出的毫伏级射线产生一束激光,当新型无缝封边带上的聚合物胶质涂层受到激光束照射后便会瞬间熔解,胶质涂层在熔解状态下具有良好的粘贴性能,可以将封边带直接粘贴到工件上[21]。在封边加工过程中,封边带接触工件之前,激光通过一面来回摆动的反射镜或者由两面反射镜组成的振镜系统将高能量的激光束聚合在封边带上。高能量的激光束快速地将封边带上的激光涂胶层熔化后,锥形复压滚轮立即将封边带压紧到工件上。随后经过修边、抛光等工艺完成封边作业。

    [size=1em]3.2.2 激光发射器

    [size=1em]激光发射器是整个激光封边设备构造中最为核心的部件。目前市面上主流的激光发射器主要有二氧化碳(CO2)激光发射器和钇铝石榴石(Nd:YAG)激光发射器两大类[22]。在板式家具封边加工等非金属加工领域主要选用CO2激光发射器。

    [size=1em]CO2激光发射器中主要的工作气体是CO2、氮气以及氦气三种气体。其中CO2是产生激光辐射的气体,而氮气及氦气则为辅助性气体。氦气可以加速010能级热弛预过程,氮气在CO2激光发射器中主要起传递能量的作用。当CO2激光发射器接入几十到几百毫安的直流电流时,混合气体内的氦气分子受到电子的撞击而被激发,受到激发的氦气分子和CO2分子发生碰撞,氮气分子把自己的能量通过撞击传递给CO2分子,CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光[23]。

    [size=1em]根据相关工艺要求,板式家具激光封边设备的激光发射装置发出的激光波长应为900~1 064 nm,激光的输出功率应为3~6 kW[24]。以常用宽度为23 mm、厚度为1.7 mm的封边带为例,为了保证封边带上聚合物胶质涂层具有良好的粘连性能,激光封边的能量值应不低于26 J/cm2。

    [size=1em]3.2.3 反射镜系统

    [size=1em]激光封边机一般通过一面来回摆动的反射镜将激光束聚合到封边带上以达到熔融封边带上聚合物胶质涂层的目的,反射镜系统由一块垂直方向上的反射镜及其配套的驱动电机和伺服电路构成。反射镜安装在驱动电机的转轴上,驱动电机不能旋转,只能以有限的角度偏转。驱动电机的内部集成了位置传感器以便于实时监测驱动电机的偏转角度。伺服电路则负责接收驱动器生成的电压脉冲信号,控制驱动电机按要求偏转。激光封边机如图1、图2所示。

    [size=0.8em]图1 激光封边机加工俯视图

    [size=0.8em]图2 激光封边机加工右视图

    [size=1em]当激光封边设备工作时,CO2激光发射器发出的激光光束先投射到沿垂直轴转动的反射镜上,接着经沿垂直轴转动的反射镜反射,投射到封边带上的指定点位。反射镜系统示意图如图3所示。

    [size=0.8em]图3 反射镜系统示意图

    [size=1em]反射镜系统反射的激光打在封边带上的区域范围可以由式(1)确定,表达式为:

    [size=1em]y=dtanθy

    [size=1em](1)

    [size=1em]式中:θy为反射镜的偏转角。当θy均为0时,激光光束所在位置为设定的坐标系原点位置,d表示Y轴振镜到待激活封边带的距离。

    [size=1em]以常用宽度为23 mm、厚度为1.7 mm的封边带为例,根据封边带上所涂有的胶质功能层,聚光光束所需要加工的区域长度应为10 mm,反射镜到待激活封边带的距离为110 mm。由式(1)计算可得反射镜偏转角度θy的取值为42°~48°。

    [size=1em]激光封边设备的最大封边速度为30 m/min,一般使用时的封边速度为21 m/min,即350 mm/s。激光封边设备所选用的激光发射器经过反射镜反射到封边带上的光斑直径约为1.4 mm。进过计算,反射镜的振动频率为250 Hz。

    [size=1em]虽然采用反射镜系统后激光可以更为精准地投射到窄长的封边带上,但此时激光光束仍具有一定的发散角,可能会造成一部分能量损失。因此,建议可以先使用扩束镜将CO2激光发射器发出的激光光束调节为平行光束,然后通过聚焦透镜获得可满足工艺需求的高功率激光光束,从而进一步优化设备结构,提高能源的利用率[25-26]。

    3.3 激光封边机的优势

    [size=1em]相较于传统的封边设备,激光封边机具有诸多优点:

    [size=1em](1)封边性能优异,封边完成后的产品看不到胶缝,既美观又能保证使用过程中封边条不易脱落。

    [size=1em](2)使用激光熔胶介质,减少了热熔胶热熔的时间,大大提高了工作效率。

    [size=1em](3)省去了储胶装置,加工过程中更换封边带颜色十分方便快捷,有效降低了生产成本。

    [size=1em](4)激光封边机能将各种封边工艺的参数和加工条件进行存储,当需要时可快速安全地调用。

    [size=1em](5)激光封边机激光源所发射的激光能量能够被充分利用,减少了设备工作所需的能量消耗。

    [size=1em](6)激光封边设备对于工作环境的适应能力强,对室内温度和空气湿度没有严格的要求[27]。

    4 结束语

    [size=1em]随着科技水平的不断提升以及封边材料的不断改进,板式家具的直线封边设备也在不断地发展。现代新型无缝封边设备的诞生极大地提高了产品封边质量,并在一定程度上简化了生产工艺,降低了生产成本。其需要改进的是激光存在着一定的危险性,需要进行有效防护,以及降低设备的价格等。应进一步提高设备的自动化和智能化水平,使之能同时满足不同的产品需求,减少人为干预,并与上下游设备实现数据上的互联互通,朝着“工业4.0”和“中国制造2025”的方向发展。

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    Laser-based Edge Banding Equipment for Panel Furniture
    [size=1em]MAO Yu-xuan, WANG Jin-bao*
    [size=1em](College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangsu 210037,China)

    [size=1em]Abstract:In this paper,by reading and sorting out plenty of literature on furniture edge banding equipment,starting from the traditional straight edge sealing equipment,defects and deficiencies were analyzed based on the equipment structure,working principle and the type of edge-sealing processing materials,and the laser-based edge banding equipment invented to solve the inadequacy of traditional seal banding equipment in recent years were introduced and analyzed in detail.

    [size=1em]Key words:panel furniture;straight edge banding equipment;laser-based edge banding machine


    [size=1em]中图分类号:TS657

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:2095-2953(2019)03-0019-05

    [size=1em]收稿日期:2018-12-21

    [size=1em]基金项目:2017年度江苏省泰州市“双创计划”(创新类)项目

    [size=1em]第一作者简介:毛宇轩(1994-),男,硕士研究生,研究方向为木材加工装备与控制工程,E-mail:myx@njfu.edu.cn

    [size=1em]*通讯作者:王宝金(1964-),男,教授,博士,主要从事木材加工装备与信息化的研究,E-mail:wbj@njfu.com.cn



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