实木办公家具生产工艺之弯曲加工工艺介绍

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为了满足造型和使用功能需要,有些零部件常做成曲线或曲面,其线条流畅、形态美观,常用的加工方法主要有锯制加工和加压弯曲成型两种。

锯制加工是直接在锯材或集成板上锯出曲线形零件,其生产工艺简单,不需要专门的生产设备,但大量木材纤维被割断,造成零部件强度降低,涂饰质量差,木材利用率低,很少使用。加压弯曲是用加压的方法把直线形的方材、薄木等压制成各种曲线形的零部件,它可以直接压制成复杂形状,简化制品结构,提高生产效率的同时又节约了木材,但需采用专门的弯曲成型加工设备。

一、方材弯曲加工

方材弯曲加工,是首先将配制好的直线形方材毛料进行软化处理,然后利用模具加压弯曲成要求的曲线形状的过程。实木弯曲时,在凸面产生拉伸力,凹面产生压缩力,中间一层既不受拉伸力也不受压缩力,称为中性层。

弯曲后的零件基本上保持了直线形方材原有的力学性质,在实际使用时曲线形的零件强度还有所提高;零件的表面保持了木材原有的纹理,容易装饰处理。但是生产工艺较复杂,有时由于选材不当或工艺条件控制不当造成弯曲毛料的破坏;木材弯曲半径也受到限制,很难构成多向弯曲;弯曲件在使用过程中,有时会受外界温度、湿度等变化的影响,使原有的弯曲形状发生变化。其主要工序包括:毛料选择与加工、软化处理、加压弯曲、干燥定型、弯曲零件加工等,如图2-65所示。

(1)毛料选择和准备

首先要按零件断面尺寸、弯曲形状、方材软化方式来选择弯曲性能合适的树种。不同树种木材的弯曲性能差异较大,即使是同一树种,在不同部位,其弯曲性能也不相同。就弯曲性能而言,阔叶树材比针叶树材好,硬阔叶树材比较阔叶树材好;幼材比老材好,边材比心才好,顺纹材比斜纹材好。其次,弯曲部件不得有腐朽、裂缝、节疤等缺陷,纹理要通直,斜纹不得大于10%。常用的树种有水曲柳、桦木、榆木、山毛榉、白鳞树等。

其次要确定毛料含水率符合弯曲要求。若含水率过高,弯曲时因水分过多形成静压力,易造成废品,且延长了弯曲零件的定型干燥时间;若含水率过低,容易产生破坏。一般不进行软化处理而直接弯曲的方材毛料含水率以10%~15%为宜;要进行蒸煮软化处理的弯曲毛料含水率应为25%~30%;高频加热处理的毛料应为10%~12%。

为了便于毛料弯曲时紧贴金属夹板和模具,在毛料加压弯曲前,需要进行必要的刨光和截断,同时还能把在配料时未能发现的缺陷剔除掉,加工成要求的断面和长度,使其厚度均匀、表面光洁。对于弯曲形状不对称的零件,在弯曲前,要在弯曲部位中心位置划线,便于对准样模中心。

(2)软化处理

为了改进木材的弯曲性能,提高其可塑性,需要在弯曲前进行软化处理。软化处理可以使木材具有暂时的可塑性,以使木材在较小的力的作用下能按要求变形,并在变形状态下重新恢复木材原有的刚性、强度。软化处理的方法可分为物理方法和化学方法两类。

①物理方法物理软化方法又称水热处理法,以水作为软化剂,同时加热以软化木材。这种方法处理容易,生产成本低,在木材弯曲软化处理中被广泛使用。木材物理软化处理方法见表2-4.

表2-4

②化学方法化学软化处理方法是在敞开式或密闭武的槽罐内采用各种化学药剂对方材进行软化处理。这种方法可以较大地提高方材的可塑性,常用的化学药剂有液态氨、气态氨、尿素、碱液等,此方法适合对化学药剂渗透良好的阔叶树材或薄板等,而针叶树材软化则很少使用。

a.液态氨处理法。将气干材或绝干材放入-78~-33℃的液态氨中,浸泡0.5~4h后取出,进行弯曲加工。温度上升,氨全部蒸发后,材料就可在弯曲状态下固定,恢复木林原有的刚度。与蒸煮法相比,这种方法使木材的弯曲半径更小,几乎能适用于所有树种的;弯曲成型件在水分作用下,几乎没有回弹;弯曲所需的力矩较小,木材破损率低。

b.氨水处理法。将木材在常温常压下浸泡在25%的氨水中,10余天后即软化。

c.气态氨处理法。将含水率为10%~20%的气干材放入罐中,通入饱和气态氨2~4h,具体时间根据木材厚度决定。这种方法软化后定型性能不如液态氨处理法。

d.尿素处理法。将木材浸泡在50%的尿素水溶液中,在一定温度下,干燥到含水率为20%~30%时再加热到℃左右进行弯曲、干燥定型。

e.碱液处理法。将气干材或绝干材浸人到10%~15%的氢氧化钠溶液或15%~20%的氢氧化钾溶液中,到达一定时间后即可软化,能在较小作用力下进行弯曲。

(3)加压弯曲

方材经软化处理后应立即进行弯曲,将已软化好的木材加压弯曲成要求的形状。方材加压弯曲的方法主要采用手工和机械两种方式。

①手工弯曲手工弯曲即用手工木夹具来进行加压弯曲。夹具由用金属或木材制成的样模、金属夹板(要稍大于被弯曲的工件,厚0.2~2.5mm)、端面档块、楔子和拉杆等组成,如图2-66。这种方法适用于加工数量少、形状简单的零件。

弯曲时,将被弯曲木材的拉伸面紧密固定在带有手柄与挡块的金属夹板内表面上。在木材端面与金属夹板挡块之间打入楔形木块,直至使木材的拉伸面跟金属夹板表面紧密结合为止。木材与金属夹板被固定后,放到工作台上,使木材的压缩面和模具准确定位,并立即夹紧,用手握住金属夹板上的木柄进行弯曲。弯曲后用金属拉杆锁紧,送到干燥室中干燥定型。

②机械弯曲大批量的木材弯曲,需要用机械进行弯曲,常常采用U形曲木机和回转型曲末机进行加工,如图2-67。U形曲木机用于加工各种形状不对称、不封闭的零件,如椅腿、椅子扶手等;而回转型曲木机可弯曲各种封闭的零件,如圆环形椅子座圈等。

在U形曲木机中,先将教化处理的工件放入指定位置,然后将金属夹板放在加压杠杆上;升起压块,定位后,启动电动机,使两侧加压杠杆升起,让工件绕样模弯曲;直到全部贴紧样模后,用拉杆固定,弯曲好的工件连同金属夹板、端面挡块一起取下,送往干燥室。

在回转型曲木机中,将软化处理的木材固定在金属夹板上,再放于曲木机工作台上,使其与模具准确定位并夹紧。然后启动机器,使模具转动,便可将工件弯曲成所需要的形状。

(4)干燥定型

在工件弯曲后进行干燥处理,可以降低木材的含水率,除去残余应力,以免回弹,保持弯曲零件尺寸的稳定性。弯曲工件的干燥常采用热空气干燥方法,但是干燥温度不能太高,一般为60~70℃,干燥时间为15~40h。在干燥过程中,弯曲毛料连同模具和金属带固定在定形架上,也可卸去模具和金属带只将弯曲毛料固定在定形架上,以确保弯曲毛料的尺寸稳定;然后送进可以控制温度和湿度的热空气干燥室内。

(5)弯曲零部件的加工

由于方材毛料弯曲后,其加工表面或加工基准已不准确,如果要达到高质量的要求,还需再次加工。其加工方式与方材毛料的加工近似,只是需重新确定基准和型面加工后,根据要求进行铣榫头和开榫眼加工,再进行砂磨修整即可。

二、影响实木弯曲质量的因素

(1)含水率

在木材的纤维饱和点内,木材的弯曲性能随着木材含水率的提高而提高,当木材的密度小时,含水率可适当地大一些(木材的密度小,水分容易排除)。方材弯曲的含水率一般控制在20%~30%。含水率过大,在弯曲过程中,容易造成纤维破裂,并使延长干燥时间。

(2)年轮方向

当木材的年轮层与弯曲面平行时,稳定性好,在较大的压力下,木材也不会发生破坏。但是当年轮层与弯曲面垂直时,在弯曲压力下,年轮层易产生滑移,降低木材的弯曲性能。

(3)木材缺陷

少量木材的缺陷都可能使弯曲件强度有很大的降低,甚至使工件报废。腐朽材不能用,节疤会引起应力集中而产生破坏,节子周围扭曲纹理会在压缩力作用下产生皱缩和裂纹。

(4)软化温度

木材的弯曲性能随温度的提高而提高,但木材的温度过高时,所需的热能加大,增加生产成本,同时也会使木材发生降解,降低木材的强度。在木材加压弯曲前进行软化时,被软化零件的中心必须达到所需温度,表面温度不能急剧下降。软化程度对弯曲质量也有很大的影响,软化过度会破坏木材的某些性质,软化不到位会造成木材刚性强、易开裂等。

(5)弯曲速度

如果弯曲速度太快,由于木材内部结构来不及适应变形,会容易产生废品,如起皱、撕裂等;而弯曲速度太慢,方材易变冷而降,塑性不足,也容易产生裂纹,一般弯曲速度以每秒35°~60°为宜

(6)毛料的断面尺寸

如果工件的宽度与厚度比较大,在弯曲木材时易失去稳定性,因此在实际生产中可以采用方材毛料的宽度制成倍数毛料的方式,在工件弯曲后再进行剖分加工。薄而宽的毛料,弯曲比较方便、稳定性较好,因此可以将几个毛料同时叠在一起进行弯曲。弯曲时,夹具端面的挡块必须与木材断面尺寸吻合,均匀加压,端面压力适中。

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