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论三种技术在木材加工中的应用,雕刻机之间的

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论三种技术在木材加工中的应用,雕刻机之间的

  木材是当今世界常用的四大材料(钢材、木材、水泥、塑料)中唯一既可再生、又可多次再用和循环回用的资源,加之性能优异、对环境友善、能耗亦低,是世界公认的绿色材料。木材工业系以木材和木质材料为原材料,经机械或化学方法加工后,其产品仍保留木材基本特性的产业。产品主要包括锯材、人造板和木制品,与经济建设和人民生活休戚相关,也是国民经济中的基础产业。

GE公司在切削刀具领域迈出一大步,正准备向外界推出其减材制造技术,被称为“蓝弧”技术,一种高速电刻蚀技术。GE全球研究中心的一位化学工程师Andrew Trimmer,过去10年来已经开发了切削应用软件,改进难切削合金和低刚度材料的切削性能,并开发蓝弧工艺控制技术。

近20年来,随着科学技术的发展,先进制造技术的兴起和不断成熟,对数控技术提出了更高的要求。那么数控机床行业发展趋势如何呢?以下是2015年我国数控机床行业发展趋势分析:

加工中心、雕铣机、雕刻机,之间有什么区别?,相信这句话很多刚刚加入这个圈的朋友都会问,然后在买机械设备的时候不太懂,不知道怎么区分,到底应该买什么样的设备,才能达到自己的需求,今天横田数控的小尹,就为大家扒一扒他们三者之间的区别。 雕铣机:顾名思义就是可以雕、也可铣,在雕刻机的基础上加大了主轴、伺服电机功率,床身承受力,同时也保持主轴的高速。雕铣机还向高速发展,一般称为高速机,切削能力更强,加工精度非常高,还可以直接加工硬度在HRC60以上的材料,一次成型,广泛用于精密模具模仁粗精加工一次完成,模具紫铜电极,铝件产品批量加工,鞋模制造,治具加工,钟表眼境行业。由于性价比高,加工速度快,加工产品光洁度好,在机床加工业越来越占有重要地位 cnc加工中心:港台、广东一带又称之为电脑锣,在加工中心上加工零件的特点是:被加工零件经过一次装夹后,数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具;自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能,连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序,避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间,大大提高了加工效率和加工精度,所以具有良好的经济效益。加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。 雕刻机:扭矩比较小,主轴转速高适合小刀具的加工,着重于“雕刻”功能,不太适合强切削的大工件。目前市面上的大多数打着雕刻机旗号的产品都是为加工工艺品为主,成本低,由于精度不高,不宜用于模具开发; 雕铣机、加工中心。雕刻机指标数据方面对比 主轴最高转速:加工中心8000;雕铣机最常见240000,高速机最低30000;雕刻机一般与雕铣机相同,用于高光处理的雕刻机可以达到80000,但那用的就不是一般的电主轴而是气浮主轴。 主轴功率:加工中心最大,从几千瓦到几十千瓦都有;雕铣机次之,一般在十千瓦以内;雕刻机最小。 切削量:加工中心最大,特别适合重切削,开粗;雕铣机次之,适合精加工;雕刻机最小。 速度:由于雕铣机和雕刻机都比较轻巧,它们的移动速度和进给速度比加工中心要快,特别是配备直线电机的高速机移动速度最高达到120m/min 精度:三者的精度差不多。 从加工尺寸上讲:工作台面积可以比较好的反应这个。国内加工中心最小的工作台面积在830*500;雕铣机的最大的工作台面积在700*620,最小的是450*450;雕刻机一般不会超过450*450,常见的是45*270。 从应用对象上讲:加工中心用于完成较大铣削量的工件的加工设备,大型的模具,硬度比较的材料,也适合普通模具的开粗;雕铣机用于完成较小铣削量,小型模具的精加工,适合铜工、石墨等的加工;低端的雕刻机则偏向于木材、双色板、亚克力板等硬度不高的板材加工,高端的适合晶片、金属外壳等抛光打磨。 在国外根本没有有雕铣机的名词(CNC engraving.milling machine),严格地讲雕是铣的一部分,所以外国只有加工中心的概念,并且由此衍生出小型加工中心的概念来代替雕铣机。购买雕刻机还是购买数控铣式加工中心是经常要问自己的问题,要看实际生产需要。另外,还有目前盛行的高速切削机床(HSCMACHINE),国内则称为高速机。 还是让我们首先搞清楚三个机型区别: 1. 数控铣和加工中心用于完成较大铣削量的工件的加工设备 2. 数控雕铣机用于完成较小铣削量,或软金属的加工设备 3. 高速切削机床用于完成中等铣削量,并且把铣削后的打磨量降为最低的加工设备 深入分析上述设备的结构和数据加工类型可以帮我们做出正确的选择。 文章已经很详细的讲了雕铣机和加工中心及雕刻机的区别了,相信大家应该心里对这三者都有一定的了解了。

  木材加工是联结资源与市场的纽带,其技术水平的高低是市场产品竞争的决定因素。现在世界上木材加工技术仍以开发实用技术为主,但高新技术亦不同程度地逐渐引人至各个领域。开展木材科学和加工技术应用基础的研究,以改造传统技术,使木材加工的技术水平,无论在产品产量、质量和节约原材料等方面均有质的飞跃,已成为提高木材加工技术的关键。

蓝弧技术是GE开发的电刻蚀工艺,15年前就已在其内部使用,作为诸如钛合金和镍合金这类难加工合金粗加工的最快方式。公司采用电能在刀具电极和工件电极之间生成电火花。对于航宇合金来说,该工艺比常规切削快4-5倍。

1.向高速度、高精度方向发展

信息来源:东莞市横田数控有限公司

  因此,及时了解并科学、合理、熟练地掌握各种技术在木材加工中的运用,对于木材的高效利用和今后木材加工业的发展有着极为重要的意义。下面对三种技术在木材加工中的应用给予简要的介绍。

该工艺以溶解方式加工零件,并快速冲走熔化的金属,它具有切削力低,可实现高速切削,并且能够加工非常规几何形状,刀具寿命长等优势。最初开发的工艺是沉浸式的,但现在工艺不再需要在水下完成,仅使用普通类机床应用大量冷却液就可完成。其工艺原理是在刀具和工件之间通过很高的电流强度,25-30V电压下产生的电火花形成的热来熔化工件,熔化的材料被很高压力冲洗系统带走。

速度和精度是数控机床的两个重要指标,直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。

  一、数显技术

高压力冲洗系统是关键。GE刀具中心的一个回路的压力就高达1000 PSI,有4个冷却液回路,可进行CNC编程,对于不同应用可调整压力。GE为了将该技术推向市场,在自己的工厂进行了长期试验。

在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3~5μm提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级。加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件,提高了CNC系统的控制精度,应用了高分辨率位置检测装置,而且也在于使用了各种误差补偿技术,如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等。

  在木材加工中的应用先进的数显技术,已应用于国防、计算机、电器、精密机床等行业的产品中。但由于木材加工机床多年形成的结构简单,允许公差大、精度要求不高,安全系数小,噪音大,外观造型粗糙的“傻大粗笨”传统结构。加上多年来对木材综合利用重视不够,投人较少等诸困,数显技术在国内木材加工中的应用还不多见。

GE与日本机床制造商Mitsui Seiki合作,于2011年开始提出5坐标卧式加工中心附加蓝弧头连接方案。该机床在日本制造,GE在密歇根贸易展IMTS展示了原型机,机床不包括A轴,电源4000安培,直流电压30V,是一种混合机床,同样的工夹既能完成普通切削,也能完成非常规切削。如果制造商需要执行粗加工,加工掉95%原材料后,可以不拆卸工件就进行精加工,只需要通过机器人换掉蓝弧头。展示的原型机床刀库中有120把,机器人采用的是FANUC及 FANUC CNC 30控制器。

在加工速度方面,高速加工源于20世纪90年代初,以电主轴和直线电机的应用为特征,使主轴转速大大提高,进给速度达60m/min以上,进给加速度和减速度达到1~2g以上,主轴转速达100000r/min以上。高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短,还要求数控系统具有足够的超前路径加速优化预处理能力,有些系统可提前处理5000个程序段。为保证加工速度,高档数控系统可在每秒内进行2000~10000次进给速度的改变。

  1、性能特点

蓝弧可取消大型高能机床和昂贵的刀具,且占地空间更小,相比普通粗加工机床同样速度下去除材料能力,蓝弧机床可减少20-50%占地面积,这是因为其不需要高材料去除率所要求的高刚度。由于该技术没有或低切削力,因而能够实现独特几何形状、难到达部位、深切及很薄切的切削。

2.向柔性化、功能集成化方向发展

  数显木材加工机床,是将先进的数显装置安装于术工机床的关键部位的明显位置,如刨、车剖、锯剖、榫眼、切削等。以数显仪数字显示,控制加工、切削、刨削量的精度。其显示清晰醒目,操作者能一目了然,减少了目测视觉误差,能减轻操作目视疲劳和劳动强。数显仪精确,结构紧凑,有良好的自锁性,数字显示直观,读数准确,能保证加工质量,安全可靠,操作方便,有利于提高生产效率。

GE估计该技术将在航空航天、电力和石油及天燃气市场获得巨大效益,汽车工业是另一潜在市场。

数控机床在提高单机柔性化的同时,朝单元柔性化和系统化方向发展,如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备;出现了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell,FMC)、柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)、柔性加工线(FlexibleManufacturingLine,FML)。

  2、适用范圈

在现代数控机床上,自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。随着数控机床向柔性化方向的发展,功能集成化更多地体现在:工件自动装卸,工件自动定位,刀具自动对刀,工件自动测量与补偿,集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。

  数显术材加工机床,顾名思义,是以木材和木材制品加工利用为原料基础的加工机床。该类机床主要适用于林业、轻工、国防、建筑建材、机械、家具、交通运输、乡镇企业诸行业中。

3.向智能化方向发展

  用于专门对本材、木材综合利用,人造板和竹材等非木质工件、方料、板材的表面刨削、车旋,开榫打眼、切锯、砂磨加工,能达到规定要求的厚度、光洁度、加工精度,以保证竹木材加工利用产品如家具、木模、门窗、车厢、精密仪器包装、缝纫机台板等产品的精度和质量,提高原材料利用率。特别是大幅面工件加工,如板材、方料和各类人造板,其效果更佳,是板式家具、建筑门窗、车厢板生产的理想木工机械。

随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展,数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中,由于采用“进化计算”(EvolutionaryComputation)、“模糊系统”(FuzzySystem)和“神经网络”(NeuralNetwork)等控制机理,性能大大提高,具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

  3、应用举例

引进自适应控制技术由于在实际加工过程中,影响加工精度因素较多,如工件余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。这些因素事先难以预知,以致在实际加工中,很难用最佳参数进行切削。引进自适应控制技术的目的是使加工系统能根据切削条件的变化自动调节切削用量等参数,使加工过程保持最佳工作状态,从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度,同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。

  数显术材加工机械,现已从刨床,车旋系列产品在木材加工中的应用,逐步推广扩展,范围日趋宽广。现仅以孙文碧和李集成工程师等科技人员研制的、先后获得四川省行业和省政府科技进步二、三等奖和中国机床工具博览会优秀造型二等奖的数显单面木工压刨床为例,浅析如下。

故障自诊断、自修复功能在系统整个工作状态中,利用数控系统内装程序随时对数控系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、自检查。一旦出现故障,立即采用停机等措施,并进行故障报警,提示发生故障的部位和原因等,并利用“冗余”技术,自动使故障模块脱机,接通备用模块。

  主要技术参数刨削宽度500mm刨削深度7mm刨削厚度10-200mm切削速度25m/s刨件长度矣250mm送料速度l、2m/min刀轴转速4500r/min电机功率5.5kW工作台规格1020x520mm外型尺寸数显刨床是在引进意大利样机基础上,结合国内木材加工利用实情而研制的。由机身、工作台、数显装置、送料机构诸部分组成。

刀具寿命自动检测和自动换刀功能利用红外、声发射、激光等检测手段,对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损和破损等,及时进行报警、自动补偿或更换刀具,确保产品质量。

  机身改变了以铸件结构为主,较多采用了钢板焊接件,左右支座分段组成,电器和传动装置均安装于支座内,机座用钢板轧制焊接而成。外观造型采用大平面、小圆孤过渡,线条清晰统一,新颖美观,富有柔和惑。

模式识别技术应用图像识别和声控技术,使机床自己辨识图样,按照自然语言命令进行加工。

  数显装置采用“位移数显仪”,安装于机身上方的明显位置。结构紧凑,显示清晰,直观醒目,操作者能一目了然,减少了视觉误差,读数准确,明晰刨削量,有利于提高刨削件精度,避免产生废品,可提篼加工利用率。

智能化交流伺服驱动技术目前已研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统,包括智能化主轴交流驱动装置和进给伺服驱动装置,使驱动系统获得最佳运行。

  工作台由四根圆柱丝杆支承,其升降是由升降手轮带动链条链轮,使四个螺母同步转动,实现升降。该系统有良好的自锁性,升降平稳,工作可靠。变速箱采用变速比大,体积小、结构简单的行星减速机构。行星齿轮采照特种尼龙制成,重量轻,耐磨损,噪音小。

4.向高可靠性方向发展

  送料机构采用水平向力式送料系统,可进行二级变速。工件由两个夹辊送出,对工作台垂直压力很小,减小了摩擦力,送料轻松平稳,用浮动式压辊较好地解决了啃头现象。

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标,它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性,目前主要采取以下措施:

  在刀轴的护罩内,设置了吸尘器附件和吸音材料;在出屑处增加了消声孔板,减少了车闻尘屑和噪音污染,青莉于职工身体健康。

采用更高集成度的电路芯片,采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路,以减少元器件的数量,提高可靠性。

  5kW电动机带动传动系统运行,刀具作圆周运动,工件直线前进,完成刨削。

通过硬件功能软件化,以适应各种控制功能的要求,同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化,提高硬件的生产批量和质量。

  数显仪数显控制刨削量,自锁性好,加工精度高。开机前,先将刀片压紧,接通电源,空转半钟左右,转速正常后,方可送料。更换刀片时,用对刀器对刀,使刀刃保持在同一圆柱面上。装卸刀片要注意防止刀片弹出发生事故。快慢二级送料速度调整时,先转动手轮,调到所需速度位置,压下操作手柄,即可送料。托料辊调整,先松开工作台下面两个M8螺母,取出花键导板,转动花键母套,即可调妥。但要特别拄意托辊上母线与工作台的平行。工作毕,要将操作轮抬起。

增强故障自诊断、自恢复和保护功能,对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加工超程、刀损、干扰、断电等各种意外时,自动进行相应的保护。

  4、数显技术应用于木材加工中的前景

5.向网络化方向发展

  数显技术在国外迅速应用于术材加工中,国内目前还不多见。投放市场以来,国内外用户在木材加工、家具、木模、门窗、人造板、车厢、包装箱等生产中已广泛使用。从信息反馈来看,一是在设计制造、原材料、配件质量等方面还存在一些问题,仍需不断完善提篼;二是在用户方面,由于技术不熟练,使用不当,影响产品质量,仍需加强技术培训,熟悉数显木工机床性能。

数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式,如敏捷制造(AgileManufacturing,AM)、虚拟企业(VirtualEnterprise,VE)、全球制造(GlobalManufacturing,GM)的基础单元。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力,除了具有RS232C接口外,还带有远程缓冲功能的DNC接口,可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网通信的功能以及网络接口,促进了系统集成化和信息综合化,使远程在线编程、远程仿真、远程操作、远程监控及远程故障诊断成为可能。

  但实践证明,数显技术的独特性能和先进性在生产中已充分显示出来,这是应予肯定的。我国木材加机械的传统结构将随着数显数控等先进技术的使用而迅速得到改变。

6.向标准化方向发展

  二、2CNC技术

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50多年间的信息交换都是基于ISO6983标准,即采用G、M代码对加工过程进行描述,显然,这种面向过程的描述方法已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649,其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化。

  1、概述

7.向驱动并联化方向发展

  计算机用数字化信号对工件或刀具的运动和加工过程进行控制的机床。CNC加工中心是在CNC机床基础上发展而来,一般有多套加工装置、刀具库和自动换刀装置等,能在工件一次装夹情况下将多道工序(铣削、锯切、钻削等)集中于其上进行。加工工件时刀具和工件要作相对运动,二者的运动关系取决于被加工工件的复杂程度。现在一般借助于机床的坐标系统以及刀具或工件沿坐标轴的直线运动和绕坐标轴的摆动来确定这种关系。CNC机床的数控轴数(或简称轴数)是指刀具或工件沿机床坐标轴作直线运动和绕机床坐标轴线作摆动方式的数目。一般三轴式CNC机床的刀具或工件可沿X、Y、Z轴作直线运动,五轴式CNC机床的刀具和工件除了上述直线运动外,还可绕A和B轴摆动。

并联机床是20世纪最具革命性的机床运动结构的突破,引起了普遍关注。并联机床由基座、平台、多根可伸缩杆件组成,每根杆件的两端通过球面支承分别将运动平台与基座相连,并由伺服电机和滚珠丝杠按数控指令实现伸缩运动,使运动平台带动主轴部件或工作台部件作任意轨迹的运动。并联机床结构简单但数学复杂,整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算,因此并联机床是一种知识密集型机构。并联机床与传统串联式机床相比具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点,在许多领域都得到了成功的应用。

  2、2CNC技术设备在木材加工中的应用

  迄今为止人们把CNC木材加工设备与CNC镂铣机、CNC钻床、CNC加工中心等固定加工式CNC机床等量齐观,这种看法不够全面。事实上CNC固定加工式机床上具有代表性的部件如:CNC控制轴、HSK电动主轴、刀具库和自动换刀装置等也越来越多地引用到连续CNC技术设备上,以大大减少非生产性装调时间和提篼生产率。因此,不能将CNC技术设备简单理解为CNC固定加工式机床,还包括CNC连续式加工设备。CNC技术应看作是提高木材加工机械加工灵便性、自动化程度和操纵简便性的手段。

  CNC固定加工式机床适用于加工品种更换频繁、形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品,因此在木材加工手工业、中小型企业以至大型企业(如:家具制造企业)都能找到用武之地。连续式CNC技术设备主要用于加工品种不常更换、批量大的产品如:建筑构件、门、窗等。

  3、高速切削(HSC)技术

  为了提高生产率,CNC木材加工设备采用高速切削(HSC)技术,即提高主轴转速。切削速度和进给速度。现在有的机器主轴转速已提高到30000 -40000r/min,同时刀具直径出现变小的趋势。因大直径刀具由于其不平衡度在高转速时离心力太大可能达到其物理极限。

  应当指出随着刀具转速的提高,机器的生产率不会按相同比例提高。因纯切削加工时间仅占整个加工过程时间的小部分,其余大部分时间用于更换刀具以及刀具主轴的升降、定位和制动等。另外,加工时在工件拐角处刀具进给速度要大大降低,每经一拐角处都要经历减速一加速过程,这也要影响生产率。因此,当刀具转速加倍时,机器生产率并不会加倍。而是随结构和功能不同仅能提高10%-90%.有的学者认为,从经济性观点出发主轴转速30000 r/min.进给速度24m/min已达到了其界限。若主轴转速超过3r/min再提高会产生一系列负面后果,如:主轴及其转动装置成本提高,刀具磨损增加,常规的排切屑设备和刀具夹紧装置可能不再适用,由刀具断裂或装夹不当引起的安全问题更加突出,现有加工中心保护屏仅能抵挡质量20g速度为70m/s的飞行物。

  4、CNC加工中心的结构

  CNC加工中心有两种基本结构型式:悬臂式加工装置安装于悬臂上并可在其上直线运动或摆动,工作台也可移动。悬臂式的优点是结构较简单,占地面积小,价格较便宜。可接近性好,对工件长度限制小。缺点是:刚度小。加工宽度受限制,不太适于加工大工件。

  门架式加工装置安装于门架上并可在其上直线运动或摆动,门架或工作台可作直线运动。其优点是:刚度大。适合于加工长度大的工件,适应性好,可采用大功率加工装置。缺点:切削力和加速度大时在导向装置作用大的弯曲力矩。人工供料时可接近性不好。

  为了提高机器的动力性(加速性)和加工精确度,要求各组成部分刚度要大,运动质量要小。在CNC加工中心用作驱动或传动装置的有:带AC伺服电动机的驱动装置、滚珠丝杠传动装置、齿条一小齿轮转动装置等。技术上领先的组件有:线性电动机、扭矩电动机、并联式运动机构等。上世纪90年代在加工中心开始采用并联式运动机构,其一般为杆件系统(2杆件、3杆件、6杆件)。用来支承和移动主轴和加工装置等。与传统的串联式运动机构相比,并联式运动机构的优点:运动质量小,运动加速度可大,由多个杆件起支承作用刚度大,由于机构的组合元件少或结构相同降低制造成本。可以预计并联式运动机构将会逐渐在木材加工中心,特别是高生产率大批量生产的加工中心上得到采用。

  5、刀具及其夹紧装置

  在CNC木材加工中心上采用高速切削(HSC)技术。由此对刀具及其夹紧装置提出更高要求。为适应高速、高功效切削要求,刀具几何形状要优化设计以减小切削刃上受的力和有利于接纳和排出切屑。为提高刀具耐磨性和延长其使用寿命,采用硬质合金、多晶金刚石(PKD)、单晶金刚石(MKD)等作切削刃材料或镀覆在切削刃上。在高速、高功效切削时采用力收缩式或热收缩式夹头较好。这两种刀具夹头刚度大,平衡度好,径向振摆误差小(2 -3pm),夹紧力大。因此,与普通的刀具夹紧装置相比,其允许的转速很高,转动平稳,振动小、噪声小、寿命长、加工质量好。

  可以采用智能化刀具,即在刀具或其接合装置中安装传感器(如:薄膜传感器)再配合相应的监控和显示装置,当出现异常运行状态(如:刀具断裂、装错刀具、转速过高等)时发出信号,以避免事故保证安全。也可以利用传感器技术在刀具夹紧装置直接测量作用力和力矩,及早判断刀具磨损情况以及危险的夹紧和不平衡状态。

  6、三轴式和五轴式CNC木材加工中心

  CNC木材加工中心至少有三根数控轴,数控轴数越多功能就越多,结构也越复杂。当前三轴式和五轴式是CNC木材加工中心的两种主要型式,五轴式CNC加工中心是三轴式CNC加工中心的扩展。三轴式CNC加工中心结构简单,价格便宜,一般用于加工板形工件和较简单的工件。五轴式CNC加工中心在很多情况下可以取代三轴式CNC加工中心,但不可能完全取代,因为在有些场合可能采用三轴式更合理、更合适。五轴式CNC木材加工中心的主要应用领域:成型加工、模型制造、木材或塑料成形压制件的修边、复杂工件和大尺寸工件的加工。五轴式CNC木材加工中心也可以加工三维弯曲形工件。

  三、微波加热

  微波是频率介于无线电波与远红外线之间的电磁波,它的特点是频率高、波长短。其频率与波长范围大约为300MHz-300kMz和1-100mm.微波技术首先应用于通信、广播、电视领域中,使用中发现微波会引起热效应,进而在世界范围内开始了对微波加热的应用研究。目前微波加热常用频率为915MHz和2450MHz.微波干燥起源于20世纪40年代,到60年代末,微波能已应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目上。我国微波干燥技术的应用始于20世纪70年代初期。目前,微波技术已应用于轻工业、食品工业、化学工业及农产品加工等领域。以下介绍微波加热干燥在木材加工中应用。

  1、微波干燥木材

  美国、日本、加拿大、德国等国的学者在20世纪60年代初开始研究利用微波干燥木材,认为微波干燥木材是一种最有效的快速干燥方法。1974年我国开始研究利用微波干燥木材的技术,1977年南京七七二厂微波所研制成功木材微波干燥机,首先在无锡家具厂使用。由于微波加热均匀、干燥速度很快,且具有干燥应力小、质量好等优点,曾一度在北京、天津、上海、南京、镇江、青岛、哈尔滨等地广泛地推广应用。后来因投资高、耗电大、干燥成本高等缺点,到20世纪80年代中期,各厂的微波干燥先后停产。进人20世纪90年代以后,由于微波干燥设备不断完善和改进,干燥工艺不断成熟,这种干燥技术在我国的应用又重新恢复。

  1)微波干燥木材的原理和优点

  微波干燥木材的原理是以湿木材作电介质,在微波电磁场的作用下,引起木材中水分子极化,同时由于电磁场的频繁交变,使水分子高速频繁的摆动,摩擦生热,从而加热干燥木材。微波干燥木材具有以下优点:干燥速度快微波干燥木材的时候,由于热量不是从木材外部传人,而是在木材内部水分子和木材摩擦直接产生热能,又称“体积加热”。这种体积加热使被干燥的木材沿整个厚度几乎同时热透,而且热透所需时间与木材厚度无关。木材内部的水分迅速汽化,形成向外扩散的压力,同时由于木材表面有热损失以及水分的蒸发,故实际上木材内部温度高于表面温度,因此微波干燥温度梯度和含水率梯度方向一致,大大地加快了水分的移动速度。

  干燥质量好由于微波干燥木材时渗透性增加,在干燥过程中,加热均匀,木材中水分由内向外同时排出,使木材的膨胀收缩系数基本一致,这样可以最大限度地避免木材在干燥过程中出现的变形、开裂等缺陷,且干燥均匀,残余应力小。另外,微波干燥木材时具有选择性,含水率高的部分吸收微波能量多,得到的热量也多,这样有利于木材含水率的一致。

  可保持木材原有的色泽木材颜色的改变与温度、作用时间及木材含水率有关,温度越篼、作用时间越长、含水率越高则木材变色越快。木材微波干燥周期与常规干燥相比要缩短)L十至上百倍,而且每次加热要经过由低温到高温的过程,因而在高温下停留的时间更短,所以用微波干燥木材几乎不改变木材的原色泽。

  杀虫灭菌效果好微波干燥木材过程中能彻底杀灭各种虫菌类,消除木制品虫害,利于提高制品强度和延长使用寿命。

  设备占用场地,适于流水线生产微波干燥设备,其主机及辅助设备简单,外廓尺寸小,占地面积小。微波干燥加工能够实现自动化、连续化加工,适于流水生产线,生产率高。

  可直接干燥木制半成品木材微波干燥设备最大的特点是能干燥木制品的半成品。通常木制品的制作工艺都是先将木材干燥后再使用,如先下料制作成形再干燥,成型的木材在干燥过程中略有开裂、变形,就不能使用。而微波直接干燥成型的木材,不变形、不开裂、不损坏木材,因此可先将毛料根据木制品结构的需要,制成各种形状的半成品,再进人微波干燥炉干燥。一般木制品生产中毛料的利用率大约为60%左右,制成半成品后再干燥就可以节省干燥能源。

  2)微波干燥的应用与研究

  20世纪70年代,美国、日本等国的学者进行微波干燥木材的研究,制造出适合木材干燥的微波干燥机,出现了木材微波干燥方法和设备方面的专利。美国的W.P.Mcalister等利用微波能和对流热空气联合干燥2. 54cm(l英寸)厚的美国松板材,实验说明用这种联合方法干燥美国松板材而没任何缺陷,在工艺上是可行的。实验发现心裂气温度的方法来消除。荒木邦夫等探讨木材微波干燥时,以椴木毛料及该种毛料雕刻的木熊为试材,对加热时间、含水率变化、形状差别及加热位置等的影响作了测定,结果是干燥速度快,可以避免开裂,加热位置和形状差别对干燥速度几乎没有影响。Barnes等人等研究成功微波干燥成材的连续装置。Anth研究影响微波干燥不同树种的硬材的某些因素,用微波干燥白蜡木、三毛榉木材和栎木,并连续测量其重量、内部蒸汽压力和温度。试验表明:白蜡木和山毛榉木材适合用微波干燥,而栎木干燥比较困难。每种试材内部温度的增加是相似的,根据试材尺寸的大小,加热变化的速度在Ot/min和3/min之间。水分扩散出的速度在0.05g/min和0.32g/min之间变化,但与试件尺寸大小无关。他还研究微波干燥松木和z;杉木材,确定了松木和云杉木从生材干燥到含水率8%时的干燥效率和能量密度。通过测量木材内部温度、内部蒸汽压力和水分蒸发的速度来控制干燥过程。木材的内部蒸汽压力可以增到大约20KPa而没有开裂。当在纤维饱和点以上干燥时最高的干燥速度可以达到每分钟降低含水率0.20%-0.45%.在纤维饱和点以下时适宜的干燥速度在每分钟降低含水率0.10% -0.20%,云杉的干燥比松木快约1.6倍。木材没有出现开裂但一些试样的内部发生颜色的变化。

  我国关于微波干燥木材的研究:1977年上海长征木材制品厂与东北林学院合作,系统地进行了木材微波干燥的工艺试验,进行了15批试材的生产性工艺试验,认为对于容易干燥、中等或难干的松、榆、桦、栲、柞木等的中、厚木料皆可用谐振腔微波干燥设备干燥到细木工用材所要求的最终含水率。1982年朱政贤等利用工厂条件进行微波干燥的生产性工艺试验,提出部分常用树种及规格锯材的谐振腔型干燥机微波干燥基准。并对微波干燥与对流干燥的干燥质量和干燥周期进行了分析比较。佟永会对水曲柳小方材和椴木板材的含水率各阶段的工艺因素与干燥速度、含水率及干燥质量的关系进行了初步探讨。为了从理论上了解微波干燥木材的机理,王廷魁等人利用唯象理论进行研究,导出木材介电张量随频率变化的关系,并得到木材微波干燥发热量的一般表达式。提高木材干燥质量、减少木材降等、降低能耗、提高设备生产率、改善劳动环境和减少环境污染、降低干燥成本是木材干燥发展的主题。微波干燥是以清洁的电作能源,由于我国电力日趋丰富,已步人世界电力大国,电价与煤价的比相对在逐渐降低,故微波干燥等以电为能源的干燥方法在21世纪预计会有明显的增长趋势。微波干燥未来在解决厚材、珍贵材和难干材方面可能发挥重要作用。当然,微波干燥也可用于小径原木、单板、薄木及碎料的干燥。1972年吉田弥明等人研究单板的微波干燥,利用小型间歇式微波干燥装置对柳桉旋切单板进行干燥试验得出:干燥速度随输出功率增大而加大,特别是在纤维饱和点以下的干燥情况,这种影响更大。其干燥缺陷是发生斑状炭化,这和单板表面温度上升过高有关,表面温度至15摄氏度以上即会发生炭化。能量效率与微波输出功率、最终含水率、单板厚度、被干燥的单板体积有关。1977-1978年哈尔滨市第二变压器厂、哈尔滨人造板厂和东北林学院林工系共同协作,首次利用微波能对刨花进行干燥试验,取得一定效果,认为微波能干燥刨花(碎料)在技术上是可行的。1995年朱政贤曾进行过微波干燥白桦小径原木的研究,认为白桦小径原木采用微波干燥在技术上是可行的。1998年王丽宇研究了刺槐小径木圆、斜截片微波干燥技术,初步提出刺槐小径圆、斜截片采用微波干燥是可行的,斜截片的干燥基准应比圆截片的干燥基准软。

  微波用于木材干燥有两种方法,即利用微波快速干燥木材和利用木材的介电性质均衡其含水率。1970年HResch等人利用微波一热空气干燥机来均(衡经过干燥但仍很湿的针叶树单板的含水率。由于较湿区域对微波的吸收较多,干燥是有择的。微波再干单板的胶合力等于或胜于初干或热空气再干单板,微波再干单板的胶缝试验结果,没有明显低于其他两种干燥方法的例证。微波再干可以防止过干,并使单板较为柔软,干燥后因劈裂或破坏的降等,微波再干单板少于热空气再干单板。Vasishth等研究单板微波再干,把花旗松单板试样,经过微波和常规装置的干燥,应用电子显微镜观察照相表明,用微波干燥的单板,细胞壁没有损伤。

  微波干燥木材今后可能用在两段干燥的第二阶段,即用于干燥低含水率阶段,可充分发挥其干燥的特长,又能适当降低能耗。如除湿与微波联合干燥,气干与微波两段干燥等联合干燥方式兼有节能和快速干燥的优势,这种不同方法的联合干燥预计在21世纪会有较好的发展前景。

  2、微波测湿

  微波测湿一般采用微波加热烘干法或试样介电常数测量法。微波加热干燥法测水分最大的优点是快速,适于在线测定,所以在水分测定及生产过程在线水分测定和控制中有重要意义。另一种用微波技术测量水分的方法是通过测量材料介电常数的变化来测定水分。在微波频段,水的介电常数在50-81之间,比许多其它材料的介电常数(如植物纤维为2 -4)高得多。所以含水率稍有变化,材料的介电常数就会有一个很大的变化,故可通过测量介电常数变化的办法测定材料的含水量。云南林业科学院的尹晓兵等通过用微波炉一烘箱测量云南松木材含水率的试验研究,提出微波炉一烘箱法(WB―HX)法提高测定木材含水率效率的方法。该方法分两步使试样全干,第一步应用微波干燥原理使试样在微波炉中快速初步干燥,第二步使试样在烘箱中恒温烘至全干。该方法总测定时间为4 -6h,比常规的烘箱干燥法缩短测定时间7h,测定精度与国标法相同,操作方便。

  3、微波改性木材

  近几年来世界上出现了微波改性木材的研究,2000年在国际林联主办的专题为“桉树木制品的未来”研讨会上,澳大利亚墨尔本大学林学院的Vinden和Torgovnikov教授介绍了他们开发的微波木材改性技术,提出微波可以提高木材轴向和径向的渗透性,进而改进难处理树种的防腐处理性能,他们还利用微波处理制造一种新型木材产品,此产品可制成有多层的径切面上空隙,还可以将微波处理和未经微波(或轻度微波处理)的材料层积起来,也可以用微波照射木材的某些部位,形成不同的改性层。我国用微波改性木材的研究正处于尝试阶段,王喜明等的以加拿大杨和水曲柳为试材进行了微波改性木材的初步研究。结果表明,微波处理可使木材的某些性质得以改善,特别是硬阔叶材的改善程度更大。微波处理使木材细胞壁上的纹孔膜的薄弱环节破坏,木材的浸提物析出或重新分布,同时木材的密度降低、弦径向干缩率之比增加、木材的吸水量增加,从而使木材干燥速度加快。

  4、其他

  在整形木和压密材的部分研究中直接利用了快速、高效的微波加热方式。木材的整形技术应用的是木材可塑化原理,利用微波把木材加热到100 -120T,使木材软化,然后压缩整形,不经制材工序根据需要选择模具得到一定形状的木材,可用于建筑和装饰材料。用微波加热带树皮的原木,由于树皮几乎不软化,整形后,木材表面形成树皮凹凸不平的花纹,比过去人工方法得到的花纹更加自然,而且还能达到木材内部。

  日本学者则元京等人利用微波加热技术对东南亚等地木材进行了弯曲工艺的研究,我国南京林业大学的李军研究了水曲柳试件经氨水处理和微波加热后弯曲工艺参数及与弯曲件质量的关系,并确定了最佳工艺。,结果表明该弯曲工艺是可行的,该方法较传统生产方式的生产率有明显的提高。1日本学者井上雅文、则元京将日本柳杉浸泡在水中。浸透一定深度后,用微波加热处理,使木材表面软化,然后在热压机上热压、定性,得到表面压密材。其表面性质如硬度、耐磨性等大大提高。

  综上所述,结合我国具体国情,借鉴当今世界木材加工技术发展态势,可找到我国在木材加工领域赶超先进国家的努力方向。具体说,当代木材加工技术发展态势总的是以应用高新技术,高效利用木材资源,加强环境保护,大力发展木基复合材料,以满足经济建设和人民生活不断增长的需要。由于木材科学、加工技术以及有关应用基础研究的深人,木材加工技术在21世纪将有更大的发展。

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