實木門坎拋光機設(shè)計及打磨參數(shù)分析蔣新波、胡浩、馬艷*、楊春梅、郭燦

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)木工機械工程技術(shù)中心， 黑龍江省哈爾濱市150040)

摘要： 我國木門生產(chǎn)企業(yè)采用先打磨后組裝的加工方式生產(chǎn)木門，針對目前木門生產(chǎn)效率低、打磨不均勻等問題，提出了實木門框拋光方案。第一步介紹了實木門的整體拋光流程以及實木門坎拋光機的工作原理。為確定滿足砂光機設(shè)計要求的工作部件，綜合考慮了磨刷過程中刷砂輥砂條的變形情況以及帶砂架內(nèi)砂帶材料的去除率等因素。進(jìn)行分析，確定砂磨輥的工藝參數(shù)，選擇摻有鋯剛玉磨粒的砂帶作為砂帶砂磨元件。通過對實木門打磨過程中的打磨力進(jìn)行分析計算，得出打磨過程中的打磨力和法向壓力的值，以及打磨過程中砂帶的線速度和打磨深度獲得。Ta。并測試了進(jìn)給量與磨削力的關(guān)系，確定了粗砂工藝和細(xì)砂工藝的最佳磨削參數(shù)，為實木門檻砂光機的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：砂光機、工作原理、應(yīng)力分析、磨削參數(shù)

實木門以其木質(zhì)紋理清晰、造型典雅美觀、耐腐蝕、抗變形能力好、隔熱隔音性能好等優(yōu)點越來越受到人們的青睞[1]。我國擁有全球最大的門窗加工市場，木門生產(chǎn)面積約占門窗總生產(chǎn)面積的70%，木門行業(yè)的前景十分光明。砂光工藝作為減少或消除實木門表面缺陷，提高實木門表面光潔度、直線度和尺寸精度的工藝，對提高實木門表面質(zhì)量具有重要作用。目前國內(nèi)木門制造領(lǐng)域大部分企業(yè)采用的是對木門各部分進(jìn)行打磨，然后組裝成型的方法，但這種方法冗余且生產(chǎn)效率低，在組裝和組裝過程中可能會損壞表面。成型工藝可能會影響木門的質(zhì)量和銷售[2]。實木門砂光生產(chǎn)線的研究，由實木門臥式豎欞砂光機和立式豎欞砂光機組成，實木門框組裝好后，先經(jīng)過臥式豎欞砂光工序，然后進(jìn)行立式豎欞砂光工藝，可以看到它要經(jīng)歷一個過程。立即對整個實木門進(jìn)行打磨和成型。實木門豎框砂光機可同時對實木門兩端豎框的三個表面進(jìn)行砂光，提高實木門的加工效率和表面質(zhì)量，擴大產(chǎn)品規(guī)格，適應(yīng)市場需求，提高企業(yè)效益。

1 實木門門檻拋光機工作原理1.1 整個實木門拋光工序分析實木門拋光工序位于框架組裝、修邊、沖孔工序之后，底漆噴涂工序之前。包括實木門的兩端，打磨門梃、打磨三個水平門梃、打磨兩個中間的門梃[3]，需要一個可以直接噴涂底漆的工藝效果。打磨后。由于實木門對表面拋光質(zhì)量要求較高，拋光過程必須分粗砂和細(xì)砂兩個階段進(jìn)行，拋光區(qū)域為實木兩端橫檔的頂面、底面和側(cè)面。門以保證所需的磨削量和表面質(zhì)量。其中，砂帶打磨法是對實木門兩端豎欞的頂面和底面進(jìn)行粗、精打磨的方法，側(cè)面要求的表面粗糙度略低于實木門的側(cè)面。頂面、側(cè)面、底面、側(cè)面進(jìn)行粗砂打磨，毛刷砂光輥滿足加工要求，同時節(jié)省空間、降低成本。

1.2實木門框砂光機的結(jié)構(gòu)及加工流程實木門框砂光機采用砂光輥和帶式三角砂框相結(jié)合的砂光方式，采用先粗砂后細(xì)砂的加工工藝。正在招聘�？梢苿拥拈_合框，一次打磨成型即可實現(xiàn)各種尺寸木門的雙面框。 工件進(jìn)入砂光機后，先經(jīng)過一對毛刷砂光輥對實木門梃側(cè)面進(jìn)行粗砂； 然后再經(jīng)過一對水平砂架進(jìn)行粗砂。實木門框側(cè)面打磨，用細(xì)砂完成立欞側(cè)面的打磨；拋光：將實木門框的上下表面粗拋光，然后經(jīng)過兩對立砂砂光機頂端的架子完成實木門框上下表面的精細(xì)拋光。圖1為實木門框拋光機的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 實木門立式立框砂光機結(jié)構(gòu)示意圖1、移動端限位組件；2、砂輥組件；3、壓輪組件；4、步進(jìn)電機組件；5、立式砂架組件；6、移動端架組件7.底座總成；8.固定端架總成；9.托輥總成；10.張緊總成；11.水平砂架總成；12.固定端限位總成

2 砂光部件的選擇2.1 砂光輥工藝參數(shù)的選擇砂光過程中，砂光輥的高速旋轉(zhuǎn)使柔性砂帶在接觸工件時產(chǎn)生彎曲變形。砂帶上工件的摩擦力和法向力的影響。在理論接觸長度L和偏轉(zhuǎn)角不改變的條件下，彎曲變形時的偏轉(zhuǎn)量和施加載荷的方向不改變。因此，隨著砂帶長度L的增加，砂帶對工件的法向壓力減小，且減小趨勢減慢[4]。

圖2所示為砂光輥的結(jié)構(gòu)。實木門門檻砂光機采用支撐條刷砂光輥，將砂帶固定在安裝板上，再將安裝板固定在砂光輥底座上，保證砂帶磨損后及時更換。使用時，砂輥底座半徑為43毫米，砂帶邊緣超出安裝板8毫米。打磨過程中，從打磨帶末端到打磨帶與木門接觸點的距離為接觸長度s[5]。

圖2 砂光輥結(jié)構(gòu)

測試表明，當(dāng)為90，理論接觸長度L從5 mm增加到30 mm時，長度為9 cm、11 cm、13 cm砂條在試件上的法向壓力增加約0.87%，分別。N、0.42N、0.39N。隨著理論接觸長度值的增大，砂帶的彎曲程度增大，變形撓度也增大[6]。根據(jù)撓度曲線公式，長度確定后，砂帶端部在砂條上的撓度與法向壓力成正比。即隨著理論接觸長度的增加，砂條的法向壓力也成比例地增加。樣品的價值增加。

綜上所述，砂光條的加工參數(shù)可選擇為砂帶長度110mm，接觸長度20-25mm，在此條件下，加工后實木門坎側(cè)表面粗糙度為小.瑪蘇.可以達(dá)到所需的粗砂厚度，并獲得較好的表面質(zhì)量。

2.2砂帶磨料的選擇實木門的砂光工藝可分為粗砂和細(xì)砂。砂帶的切削過程如圖3所示。磨粒表面與底部形成的角度稱為前角。前角越大，切削強度越大，但磨粒磨損越快出去。木材磨削用的磨料有剛玉砂、硬質(zhì)合金砂、玻璃砂三種。目前，市場上最常見的砂帶是聚酯布、碳化硅砂帶。這種砂帶不僅使用壽命短，而且容易出現(xiàn)打磨缺陷[7]，因此需要改變砂帶表面磨料的成分，以提高打磨質(zhì)量。

圖3 砂帶切割過程示意圖

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，砂帶磨削的材料去除效率與其自身的結(jié)構(gòu)特點和表面形貌以及加工方法密切相關(guān)。根據(jù)陳志遠(yuǎn)等人對砂帶材料去除率與線速度關(guān)系的研究，在法向磨削壓力恒定的條件下，采用氧化鋁、硅三種不同的磨料材料，得出結(jié)論：做。硬質(zhì)合金和鋯剛玉、砂帶線速度對木材去除率的影響。在一定范圍內(nèi)，材料去除率Z隨著砂帶線速度Vs的增大而增大，但當(dāng)Vs增大到一定限度時，Z迅速減小。這是因為隨著Vs的增大，單位時間內(nèi)通過磨削區(qū)的磨粒數(shù)量，即有效齒數(shù)增加，但當(dāng)Vs超過一定的速度范圍時，磨粒的停留時間就變成更長。這是把它收起來。速度太高，在磨削區(qū)的時間太短，但不足以使磨粒完成對木材的切削過程[8]。

通過比較三種磨料的材料去除率，我們決定在磨料中添加韌性高、切削力強的鋯剛玉磨料來制作砂帶。選用氧化鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的鋯剛玉，采用特殊方法冶煉加工，并進(jìn)行靜電噴漆，方便使用磨料種植靜電砂。磨料為碳化硅和鋯剛玉的混合物，不僅提高了等厚度砂帶的加工能力，而且彌補了傳統(tǒng)砂帶的缺點。

3、砂帶拋光過程受力分析拋光過程中，壓力墊以恒定的法向壓力N將砂帶壓在木門表面。砂帶與木門接觸的圓弧上產(chǎn)生總磨削力，總磨削力分解為平行于木門進(jìn)給方向的水平磨削力Ft和垂直于木門的垂直磨削力Ff。進(jìn)給方向、拋光帶擺動力、拉力Fn[9]。另外，傳動帶與木門之間會產(chǎn)生稱為牽引力的摩擦力Fs，但為了正確地輸送正在加工的木門，牽引力Fs必須大于水平磨削力Ft。否則木門會彈起。砂帶磨削過程中的受力示意圖如圖4所示。

圖4 砂帶磨削應(yīng)力示意圖

3.1磨削力的確定根據(jù)砂帶磨削的物理特性，工作壓力Ff為：

Ff=P·S

(1)

式中，P為施加在接觸面上的壓力（MPa），S為拋光帶與待加工木門的接觸面積（mm2）。

本設(shè)計中，已知S=0.00645 m2，壓墊磨削砂帶的最大單位壓力為18 kPa。代入式(1)，可得：

Ff=116.1(N)

根據(jù)砂帶磨削的物理特性，水平磨削力Ft為：

Ft=Ff·

(2)

式中：Ff為常壓（N），為砂帶磨削系數(shù)。

拋光帶的拋光系數(shù)由以下經(jīng)驗公式確定：

=(0.425+0.19dm0.5)KsKm

(3)

式中，dm為主磨粒直徑（mm），Ks為木種修正系數(shù)，Km為磨粒鈍化修正系數(shù)。

磨粒尺寸dm=0.2mm 木窗臺加工木材為松木采用木材品種修正系數(shù)Ks=0.95 拋光帶磨粒鈍度修正系數(shù)Km=1.應(yīng)用方程（3），我們得到：

=0.484

磨削時產(chǎn)生的切削力Ft按下式計算：

Ft=Ff·=116.10.484=56.19(N)

3.2 法向壓力的確定由圖4可知，牽引力為：

Fs=(G+N-Ff)

（四）

進(jìn)料阻力：

FZ=英尺

（五）

式中：Fz：進(jìn)給阻力，F(xiàn)f：法向磨削力，F(xiàn)t：水平磨削力，N：壓墊壓力，G：木門自重，：木門與傳動裝置之間的摩擦系數(shù)腰帶。

為了使進(jìn)給順利進(jìn)行，F(xiàn)sFz，即必須滿足以下條件。

(6)

代入Ft，常壓N必須滿足：

(7)

已知木材拋光過程中的摩擦系數(shù)為0.4，作用在實木門傳送帶上的重力G為150N。將常壓N值代入下式即可求出常壓N值的范圍。公式：

N106.58(N)

4 影響砂帶磨削力的因素磨削力是磨削過程中砂帶與工件表面接觸產(chǎn)生的，但磨削力是由切向磨削力Ft、垂直磨削力Ff引起的，并且沙子是可以拆卸的。在這里，我們將實驗不同磨削參數(shù)對切向磨削力Ft和法向磨削力Ff的影響[10]。

4.1 磨削力測量原理磨削力測量測試采用稱重傳感器的測量方法，在磨削過程中，對木板施加應(yīng)力，引起材料內(nèi)部變形，從而在負(fù)載內(nèi)部產(chǎn)生電阻應(yīng)變片細(xì)胞。為了產(chǎn)生相應(yīng)的變形，稱重傳感器輸出電荷，經(jīng)放大器放大后輸出電壓信號，然后送至計算機進(jìn)行分析計算，從而得到磨削力的變化。 11-12]。

4.2 實驗設(shè)計4.2.1 實驗條件

試驗地點：黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心101實驗室。

測試日期：2018 年4 月。

本次試驗的檢測設(shè)備采用東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)木工機械工程技術(shù)中心設(shè)計、哈爾濱世英窗業(yè)有限公司制造的MM7912多砂架砂光設(shè)備。該測試使用一個砂架和一個工件。夾具連接如圖5 所示。表1 列出了該測試所需的其他測試條件。

圖5 MM7912多砂架砂光機測試設(shè)備

表1 磨削力測量試驗條件

4.2.2 實驗因素設(shè)計

當(dāng)磨削量為Vs15m/s、ap0.025mm、Vg200mm/min時，切向磨削力Ft和垂直磨削力Fn的測量數(shù)據(jù)被用作初始數(shù)據(jù)。改變拋光帶線速度Vs、磨削深度ap、進(jìn)給量Vg的測試系數(shù)，并改變切向磨削力Ft和法向磨削力Fn的變化趨勢之一，計算響應(yīng)指數(shù)。 措施。測試系數(shù)比較見表2。

表2 實驗系數(shù)比較

4.3 試驗結(jié)果分析4.3.1 砂帶線速度對磨削力的影響

隨著砂帶線速度Vs的增大，磨削力增加的斜率最初較低，在15~25 m/s范圍內(nèi)，切向力和法向力的增加不超過16%。如圖6所示。當(dāng)Vs增大到25m/s時，磨削力開始迅速增大，當(dāng)砂帶線速度達(dá)到30m/s時，切向力較15m/s增大75%，法向曳力也增大.增加75%，力較15 m/s增加78%。

圖6 磨削力隨砂帶線速度變化曲線（Vg=315mm/min，ap=0.1mm）

砂帶線速度Vs的增加減少了磨粒與工件的接觸時間，從而減少了實際切削厚度。因此，各磨粒表面產(chǎn)生的磨削力也減小，當(dāng)線速度超過此范圍時，砂帶的磨損速度加快，磨損程度增大，磨削力迅速增大[13-14] ]。 ]。因此，適當(dāng)提高砂帶的線速度會改善加工區(qū)域的狀況，提高工件的表面質(zhì)量，但線速度太大會加速砂帶的磨損，增加磨損的可能性。處理錯誤。

4.3.2 磨削深度對磨削力的影響

圖7為磨削力隨磨削深度的變化曲線。隨著磨削深度ap的增加，切向磨削力Ft和垂直磨削力Fn均呈現(xiàn)增加趨勢。當(dāng)磨削深度增加時，不僅單個磨粒的切削厚度增加，而且砂帶與工件之間的磨削接觸弧長增加，從而增加磨削力[15-16]。

圖7 磨削力隨磨削深度的變化曲線（Vg=315 mm/min，Vs=18 m/s）

4.3.3 進(jìn)給量對磨削力的影響

圖8所示為磨削力隨進(jìn)給量的變化曲線。根據(jù)傳統(tǒng)磨削規(guī)律，隨著工件進(jìn)給速度Vg增大，產(chǎn)生的磨削力也增大。

圖8 磨削力隨進(jìn)給量的變化曲線（Vs=18 m/s，ap=0.075 mm）

綜上所述，根據(jù)實木門表面砂光的條件和需要達(dá)到的表面處理質(zhì)量，選擇工件的加工進(jìn)給速度為300毫米/分鐘，粗砂帶的尺寸是80# 會的。磨削線速度為15 m/s，細(xì)砂帶粒度為120#，磨削線速度為20 m/s，粗砂磨削深度為0.8 mm，細(xì)砂磨削深度為0.4 mm，加工要求是磨削力和表面質(zhì)量要滿足。粗砂和細(xì)砂砂帶磨削參數(shù)見表3和表4。

表3 粗砂帶磨削參數(shù)

表4 細(xì)砂砂帶磨削參數(shù)

5結(jié)論（1）通過對國內(nèi)實木門加工現(xiàn)狀的了解和分析，明確了實木門立框砂光機的設(shè)計目的，實木門立框砂光機旨在提高實木門立框的加工效率和質(zhì)量。木門砂光該砂光機采用先粗砂后細(xì)砂的砂光工藝，采用帶砂架和毛刷砂光輥聯(lián)合工作方式。

(2)對砂光過程中的磨削力進(jìn)行了理論分析和計算，確定了實木門框砂光機的切向磨削力和砂帶的最小法向壓力，以及實際的磨削力打磨確定。選擇拋光帶長度110 mm、接觸長度2025 mm作為拋光輥加工工藝和拋光條工藝參數(shù)，闡述了主拋光用拋光帶的加工特性。本發(fā)明鋯剛玉拋光帶引入組分，選擇混合氧化鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40，提高加工效率。

(3)通過磨削力測量試驗，研究了實木門打磨過程中拋光帶線速度、磨削深度和進(jìn)給量對磨削力的影響。確定粗磨和精磨工序的砂帶磨削參數(shù)，以確保木門達(dá)到理想的表面質(zhì)量。

第一作者簡介：姜新波(1967-),男，副教授，博士，研究方向：機械設(shè)計及理論，Email:jxb-1967@163.com。

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