实木门立梃砂光机的设计及磨削参数分析姜新波， 胡 昊， 马 岩*， 杨春梅， 郭 璨(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)摘 要：针对当前我国木门生产企业采用先砂光后组装的加工方法进行木门生产加工效率不高、砂光不均匀等问题，提出一种对组装后的实木门立梃进行一次砂光成型的方案，介绍了实木门整体砂光工艺以及实木门立梃砂光机的工作原理。
为确定符合砂光机设计要求的工作元件，对磨削过程中刷式砂光辊的砂条形变以及带式砂架中砂带材料切除率等因素进行分析，确定了砂光辊的工艺参数，并选择了混合锆刚玉磨料的砂带作为带式砂光元件。
通过对实木门磨削加工过程中的磨削力进行分析与计算，得出了磨削过程中的磨削力和法向压力的数值，并针对砂光过程中砂带线速度、磨削深度和进给速度对磨削力的影响进行了试验，确定了粗砂工序和精砂工序中最合适的磨削参数，为实木门立梃砂光机的设计提供了理论依据。
关键词：砂光机；工作原理；受力分析；磨削参数实木门因其木材纹理清晰，造型典雅美观，防腐防变形性能好，保温隔音性能优等特点，越来越受到人们的青睐[1]。
我国拥有世界上最大的门窗加工市场，木门生产面积约占门窗总产量面积的70%，木门行业前景十分广阔。
砂光工序作为降低或消除实木门表面缺陷，提高实木门表面光洁度、平直度和尺寸精度的一道工序，对提高实木门表面质量起着至关重要的作用。
目前国内木门制造领域的多数企业均采用先对木门各组件进行砂光，然后再组装成型的方式进行生产，这种方式在工序上较为赘余，生产效率不高，而且已经砂光完成的组件在组装成型的过程中还有可能表面受到损伤，影响木门质量及销量[2]。
研究由实木门横梃砂光机和立梃砂光机联合组成的实木门砂光生产线，可以实现实木门组框后，先经过横梃砂光工序，再经过立梃砂光工序，从而完成实木门整体一次砂光成型的加工过程。
实木门立梃砂光机，可以对实木门两端立梃的三个表面同时进行砂光，提高实木门的加工效率和表面质量，拓宽产品规格，适应市场需要，提高企业效益。
1 实木门立梃砂光机的工作原理1.1 实木门整体砂光工艺分析实木门砂光工序位于组框、裁边、打孔工序之后，喷涂底漆工序之前，包括对实木门双端两根立梃的砂光、三根横梃的砂光及两根中梃的砂光[3]，工艺效果需要达到砂光后可以直接喷涂底漆的程度。
由于实木门需要的表面砂光质量较高，所以砂光工艺应划分为粗砂和精砂两道加工工序，砂光区域为实木门两端横梃的上下表面以及侧表面，以保证达到需要的磨削量和表面质量。
其中，采用带式砂削的加工方式对实木门两端立梃上下表面进行粗砂和精砂，由于侧表面的表面粗糙度要求相对于上下表面略低，因此对侧表面的粗砂工序采用刷式砂光辊，在达到加工要求的基础上节约了空间、降低了成本。
1.2 实木门立梃砂光机结构及加工工序实木门立梃砂光机采用砂光辊和带式三角砂架组合的砂光方式，采用先粗砂后精砂的加工工艺，采用一端固定一端可移动的开合式机架形式，可以实现对不同尺寸规格的木门进行双端立梃的一次砂光成型。
①工件进入砂光机后首先经过一对刷式砂光辊，对实木门立梃的侧表面进行一次粗砂；②随后经过一对卧式砂架，对实木门立梃的侧表面进行一次精砂，完成立梃侧表面的砂光；③工件经过上下两对立式砂架，对实木门立梃上下表面进行粗砂；④工件经过砂光机尾端的上下两对立式砂架，完成实木门立梃上下表面的精砂。
实木门立梃砂光机结构示意图如图1所示。
图1 实木门立梃砂光机结构示意图1.移动端限位组件；2.砂辊组件；3.压辊组件；4.步进电机组件；5.立式砂架组件；6.移动端机架组件；7.基座组件；8.固定端机架组件；9.托辊组件；10.张紧组件；11.卧式砂架组件；12.固定端限位组件2 砂光元件的选择2.1 砂光辊工艺参数选择在砂光过程中，柔性砂光条通过砂辊的高速旋转与工件接触时发生弯曲变形，砂光条所受的力包括工件给砂光条的摩擦力和法向力。
在理论接触长度L和偏转角度θ不变的条件下，弯曲变形的挠度和施加载荷的方向不变。
所以，随着砂光条长度L的增加，其对工件的法向压力减小，且减小趋势变缓[4]。
砂光辊的结构如图2所示，实木门立梃砂光机采用有支撑的条状刷式砂光辊，其中砂带固定在安装盘上，再将安装盘固定在砂光辊基座上，方便砂带磨损后及时更换，砂辊基体半径为43 mm，砂带末端超出安装盘8 mm。
砂光过程中，砂带末端到砂带与木门接触位置之间的距离即为接触长度s[5]。
图2 砂光辊结构通过测试，在θ为90°、理论接触长度L从5 mm 增加到30 mm 时，长度为9 cm、11 cm、13 cm 的砂光条，对试件的法向压力分别增大了约0.87 N、0.42 N、0.39 N。
由于理论接触长度值增大，所以砂光条的弯曲程度增大，变形挠度也增大[6]。
根据挠曲线方程，在长度确定后砂光条上砂带端部的挠度和法向压力成正比，即随理论接触长度的增大，砂光条对试件的法向压力增大。
综上所述，可选用砂带长度110 mm、接触长度20～25 mm作为砂光条的工艺参数，在该条件下加工后的实木门立梃侧表面粗糙度小，能够达到一次粗砂所能完成的较好表面质量。
2.2 砂带磨料选择实木门砂光工艺分为粗砂和精砂。
砂带磨粒切削过程如图3所示，磨粒前表面与基面的夹角称为前角，前角越大切削强度越大，但磨粒磨损越快。
木材磨削的磨料分为刚玉类、碳化物类和玻璃砂三种类型，目前市场上常见的砂带多选用聚酯布碳化硅砂带，这种砂带不仅寿命短，而且容易产生砂光缺陷[7]，因此应改变砂带表面磨料的组成成分以提高砂光质量。
图3 砂带磨粒切削过程示意图通过研究和分析可知，砂带磨削的材料去除效率与其自身的结构特性和表面形貌以及加工方式有密切关系。
根据陈志远等对材料切除率与砂带线速度之间关系的研究，可以得出在法向磨削压力一定的条件下，采用氧化铝、碳化硅和锆刚玉三种不同成分的磨料，砂带线速度对木质材料去除率的影响规律。
在一定范围内，材料去除率Z随砂带线速度Vs增加而增加，但Vs增加到一定限度后Z随即减小。
这是因为Vs增加，单位时间内经过磨削区的磨粒数目增加，即有效切削刃数目增加，但当Vs超过一定速度范围后，由于速度过快，磨粒在磨削区停留时间过短，不足以完成磨粒切入木材的切削过程[8]。
通过比较三种磨料的材料切除率，决定在磨料中加入韧性好、切削力强的锆刚玉磨料制作砂带。
选择氧化锆质量分数为40%的锆刚玉，经过特殊工艺的冶炼加工并经过静电涂覆处理，方便了磨料进行静电植砂。
采用碳化硅混合锆刚玉的磨料既提高了定厚砂光砂带存在的加工能力，也弥补了常规砂带存在的不足。
3 砂带磨削过程受力分析磨削加工时，压垫以一定的法向压力N将砂带压在木门表面，砂带上的磨粒对木门进行磨削，砂带与木门接触的圆弧上产生综合磨削力，综合磨削力被分解成与木门进给方向平行的水平磨削力Ft，与木门进给方向垂直的法向磨削力Ff，以及砂带摆动的轴向力拉力Fn[9]。
此外，传动皮带与木门之间也会产生摩擦力Fs，称之为牵引力，牵引力Fs一定要大于水平磨削力Ft以保证被加工木门能够正常进给，否则木门将发生回弹。
砂带磨削过程中受力示意如图4所示。
图4 砂带磨削受力示意图3.1 磨削力确定根据砂带磨削的物理特性，法向压力Ff为：Ff=P·S(1)式中：P为接触面上的压强(MPa)；S为砂带与被加工木门的接触面积(mm2)。
本设计中已知S=0.006 45 m2，带压垫的砂带磨削单位压强最大为18 kPa。
代入式(1)得：Ff=116.1(N)根据砂带磨削的物理特性，水平磨削力Ft为：Ft=Ff·ε(2)式中：Ff为法向压力(N)；ε为砂带磨削系数。
对于砂带磨削系数ε可用下面经验公式求得：ε=(0.425+0.19dm0.5)KsKm(3)式中：dm为主要磨粒的直径(mm)；Ks为树种修正系数；Km为磨粒变钝修正系数。
磨粒颗粒尺寸dm=0.2 mm，被加工木门立梃的木材以松木为标准，取树种修正系数Ks=0.95，取砂带的磨粒变钝程度修正系数Km=1。
带入式(3)经计算得：ε=0.484由此可得，磨削时产生的切削力Ft为：Ft=Ff·ε=116.1×0.484=56.19(N)3.2 法向压力确定由图4可知，牵引力：Fs=(G+N-Ff)μ(4)进给阻力：FZ=Ft(5)式中：Fz为进给阻力；Ff为法向磨削力；Ft水平磨削力；N为压垫施加的压力；G为木门自重；μ为木门与传动皮带之间的摩擦系数。
为保证进给顺利进行，必须满足Fs≥Fz，即：(6)代入Ft，则法向压力N必须满足：(7)已知木材磨削加工过程中的摩擦系数μ=0.4，实木门作用在传送带上的重力G=150 N，带入公式可得法向压力N的取值范围：N≥106.58(N)4 影响砂带磨削力的因素磨削力是砂带在磨削过程中与工件发生表面接触而产生的，磨削力可以分解为切向磨削力Ft、法向磨削力Ff以及砂带摆动的轴向力Fn，这里我们针对不同磨削参数对切向磨削力Ft和法向磨削力Ff的影响进行试验[10]，实验装置中不涉及摆动轴向力Fn。
4.1 磨削力测量原理磨削力测量试验采用测力传感器的测量方法，在磨削加工过程中，被加工木板受力产生材料内部形变，从而使得测力传感器内部的电阻应变片产生相应的形变，测力传感器输出电荷，电荷经过放大器放大后输出电压信号，再传送至计算机进行分析计算，从而得出不同参数变化下磨削力的变化情况[11-12]。
4.2 试验设计4.2.1 试验条件试验地点：黑龙江省哈尔滨市东北林业大学林业与木工机械工程技术中心101试验室。
试验时间：2018年4月。
本试验的试验装置采用由东北林业大学林业与木工机械工程技术中心设计，哈尔滨森鹰窗业股份有限公司制造的MM7912多砂架砂光装置，试验使用1个砂架，工件与测力传感器通过工装夹具相连接，如图5所示。
本试验所需其他试验条件见表1。
图5 MM7912多砂架砂光机试验装置表1 磨削力测量试验条件4.2.2 试验因素设计当磨削用量取Vs=15 m/s、ap=0.025 mm、Vg=200 mm/min时，测得切向磨削力Ft与法向磨削力Fn的数据作为初始数据。
分别改变试验因素：砂带线速度Vs、磨削深度ap以及进给速度Vg，测量单一因素变化下的响应指标：切向磨削力Ft与法向磨削力Fn的变化趋势。
试验因素对照见表2。
表2 试验因素对照4.3 试验结果分析4.3.1 砂带线速度对磨削力的影响随着砂带线速度Vs的增大，开始时磨削力增大斜率较低，在15～25 m/s范围内，切向力和法向力增幅不超过16%，如图6所示。
当Vs增大到25 m/s之后，磨削力开始迅速增大，当砂带线速度到达30 m/s时，切向力相比于15 m/s时增大了75%，法向力相比于15 m/s时增大了78%。
图6 磨削力随砂带线速度变化曲线 (Vg=315 mm/min,ap=0.1 mm)砂带线速度Vs的增大，使得磨粒与被加工件间的接触时间变短，实际切削厚度减小。
因此每颗磨粒表面产生的磨削力也随之减小，而当线速度超过这一范围后，砂带的磨损速度加快，磨损程度增大，造成磨削力快速上升[13-14]。
因此，适当增大砂带线速度可以改善加工区状态，提高工件的表面质量，但线速度不能过大，否则容易加快砂带耗损，并增大加工误差。
4.3.2 磨削深度对磨削力的影响磨削力随磨削深度变化曲线如图7 所示，随着磨削深度ap的增大，切向磨削力Ft和法向磨削力Fn均呈现增大的趋势。
磨削深度的增加不仅使单颗磨粒的切削厚度增大，同时也使砂带与工件的磨削接触弧长增大，因此磨削力随之增大[15-16]。
图7 磨削力随磨削深度变化曲线 (Vg=315 mm/min,Vs=18 m/s)4.3.3 进给速度对磨削力的影响磨削力随进给速度变化曲线如图8所示，随着被加工件的进给速度Vg增大，产生的磨削力也增大，遵循传统的磨削规律。
图8 磨削力随进给速度变化曲线 (Vs=18 m/s，ap=0.075 mm)综上所述，根据对实木门表面进行砂光所具备的条件和需要达到的表面加工质量，选取工件的加工进给速度为300 mm/min；粗砂砂带粒度为80#，磨削线速度为15 m/s；精砂砂带粒度为120#，磨削线速度为20 m/s；粗砂磨削深度为0.8 mm；精砂磨削深度为0.4 mm，以达到符合加工要求的磨削力和表面质量。
粗砂和精砂的砂带磨削参数见表3和表4。
表3 粗砂砂带磨削参数表4 精砂砂带的磨削参数5 结论(1)通过对国内实木门加工现状的了解及分析，明确了实木门立梃砂光机的设计目的，旨在提高实木门砂光过程中的加工效率和质量，确定了实木门立梃砂光机先粗砂后精砂的砂光工艺以及采用带式砂架和刷式砂光辊结合的工作方式。
(2)对砂光过程中的磨削力进行了理论分析及计算，确定了实木门立梃砂光机的切向磨削力和砂带的最小法向压力；阐述了主要砂光部件砂光辊的工作过程并选用了砂带长度110 mm、接触长度20～25 mm作为砂光条的工艺参数；介绍了主要砂光部件砂带的工作特性并选择了混合氧化锆质量分数为40%的锆刚玉磨料的砂带以提高加工效率。
(3)通过磨削力测量试验，研究了实木门砂光过程中砂带线速度、磨削深度和进给速度对磨削力的影响，在满足现有条件和加工要求的前提下，确定了粗精砂工序的砂带磨削参数，以保证木门能达到理想的表面质量。
第一作者简介：姜新波(1967-)，男，副教授，博士，研究方向机械设计及理论，E-mail：jxb-1967@163.com。
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