木窗雙端銑削加工中心關鍵機構的設計與研究

楊春梅，孟繁偉，丁禹程

摘要：針對被動式歐式木窗外框銑削加工效率低、加工精度低和人工勞動強度大等問題，設計一種被動式歐式木窗的雙端銑削加工中心，用于被動式歐式木窗外框高效率、高精度銑削加工。通過對木窗銑削工藝的分析，采用計算機輔助設計方法對加工中心結構進行詳細設計，利用Solidworks軟件對加工中心進行三維建模，基于有限元分析軟件對關鍵支撐零件的強度、剛度進行分析，使用虛擬試驗方法驗證加工中心的加工效率。研究結果表明，加工中心理論加工效率約為400扇/d，相較于人工加工效率350扇/d，效率提升了14.28%，關鍵支撐零件的最大應力遠小于材料的許用應力，滿足使用要求。

關鍵詞：木窗；雙端銑削；加工中心；結構設計；結構分析

中圖分類號：S777文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2024）01-0135-07

Design and Research of Key Mechanisms of the Double End Milling Machining Center for Wood Windows

YANG Chunmei， MENG Fanwei， DING Yucheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Aiming at the problems of low milling efficiency， low machining precision and high manual labor intensity of the outer frame of passive European-style wood windows， a double end milling machining center for passive European-style wood windows was designed and used for high-efficiency and high-precision milling of the outer frame of passive European-style wood windows. Through the analysis of the milling process of wood windows， the detailed design of the machining center structure was carried out using computer-aided design methods. Solidworks software was used for three-dimensional modeling of the machining center， and finite element analysis software was used to analyze the strength and stiffness of the key support parts. Virtual experimental methods was used to verify the machining efficiency of the machining center. The results showed that the theoretical machining efficiency of the machining center was about 400 fans/day， compared with the manual machining efficiency of 350 fans/day， the efficiency was improved by 14.28%， and the maximum stress of the key support parts was far less than the permissible stress of the material， which met the requirements for use.

Keywords：Wood windows; double end milling; machining center; structural design; structural analysis

0引言

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，低能耗、低污染、高利用率的綠色建筑成為未來的發展方向，被動式建筑作為綠色建筑中的一類具有重要意義，擁有廣泛的市場前景[1-2]。被動式建筑主要指依靠更好的保溫、密封結構與高效率的熱回收系統，幾乎不需要能源的輸入或僅僅消耗較少的能源就能夠提供應季且宜人的環境，同時符合綠色建筑基本要求的建筑[3-6]。門窗節能是被動式建筑節能的重點[7]。木窗是集節能、低碳、環?？沙掷m發展的門窗產品，具有良好的保溫隔熱效果[8]，在被動式門窗中應用廣泛。被動式歐式木窗結合了歐式木窗與被動式建筑的特點，有較高的抗壓和抗折強度，具有特殊的隔熱、隔音和裝飾效果等優勢[9]，同時實現了低碳節能的被動式效果，深受消費者喜愛。被動式歐式木窗產品的機械加工中最為重要的是窗框和窗扇的銑型加工[10]。對于木窗框的銑削加工，雙端銑機床的應用還沒有普及，且雙端銑設備大多數處于半自動化狀態[11]。對于木窗框外側面的銑削加工，目前大多采用單端銑削機床，通過工人的操作，依次加工木窗框的4個外側面，需要將木窗多次旋轉并重新裝夾，費時費力，且加工精度不高，出現不合格產品概率較高，造成對森林資源的浪費。本研究設計一種被動式歐式木窗的木窗雙端銑削加工中心，用于被動式歐式木窗外框高效率、高精度銑削加工，保障被動式歐式木窗安裝后的低碳節能與被動式效果，節省人工勞動力。

1木窗雙端銑削加工中心的總體設計及加工工藝分析

結合木窗外框銑削加工工藝，本研究設計的木窗雙端銑削加工中心包括：自動上料機構、定位機構、夾緊機構、單端銑削機構、運輸機構、送料機構和底座。利用Solidworks軟件對加工中心進行三維建模，木窗雙端銑削加工中心的總體結構，如圖1所示。

加工中心的加工工藝流程如圖2所示。由圖2可以看出，在整個加工環節中，僅木窗上料、下料需要人工完成，相比于傳統加工工藝，對工人的加工經驗要求不高，極大程度地降低工人的勞動強度。木窗雙端銑削加工中心每次加工木窗的2個相對窗框的外側面，多個木窗連續上料進行銑削加工，相較于傳統加工工藝，提高加工效率。

2木窗雙端銑削加工中心主要機構的設計

2.1自動進料機構的結構設計

自動進料機構需要完成對木窗的輸送。實現輸送的裝置一般有輸送皮帶、輸送鏈和輸送輥臺，相比之下，輥臺的輸送穩定性較高，壽命較長，維修成本較低，故選用輥臺作為進料機構的主體結構。

自動進料機構主要由靠尺A、機架、輥臺、靠尺B、氣缸和壓輥機構組成，如圖3所示?？砍逜、B的作用分別在于木窗的初步定位與控制木窗的前進。在分析與設計過程中，不同尺寸的木窗需要到達相同的定位基準，故采用換向輸送的方法，于輥臺的輥筒間，沿縱向設置一組頂升單傳送皮帶，利用頂升皮帶實現木窗的換向傳輸，最終由壓輥機構進行夾緊定位。

木窗的橫向進給由輥臺實現。木窗沿輥臺橫向進給至被靠尺B擋住后，頂升單傳送皮帶將木窗沿縱向移動，與靠尺A貼合，壓輥裝置向下移動，壓輥裝置的輥輪將木窗框壓緊，完成對木窗的初步定位。氣缸帶動靠尺B升起，木窗在輥臺與壓輥裝置輥輪的作用下繼續橫向進給，進入定位機構。

2.2定位機構及夾緊機構的結構設計

定位的準確性，會影響木窗框外側面的加工精度。木窗經過自動進料機構的初步定位后，木窗框與靠尺間會存在一定間隙，不能直接進入夾緊機構進行夾緊與加工。為此設計了定位機構，如圖4所示，確保了木窗框與靠尺緊密接觸，對木窗進行最終定位，保證了后續加工的精度。

木窗進入定位機構后，其主要由托板與靠尺所在平臺支撐，為了適應大范圍變化的木窗尺寸，設計了一種分級式直線運動結構：托板作用于導軌上，通過絲桿螺母機構實現托板的大行程移動。氣缸固定于托板上，其末端連接有側壓輥機構，實現小行程移動，完成對木窗外框的側定位。壓輥機構完成對木窗的上壓緊，并通過摩擦力驅動木窗移動。

夾緊機構的結構與定位機構的結構原理相同，不再贅述。但需要注意的是，為了更好地抵抗切削力給木窗帶來的變形，相對于定位機構，夾緊機構側壓輥機構的壓緊力更大，壓輥數量更多，以防止木窗變形量過大造成加工精度低。

2.3運輸機構與送料機構

運輸機構由輥臺與單傳送皮帶組成，木窗一側的窗框加工完成后，木窗由輥臺進入運輸機構，再由單傳送皮帶，運輸到加工中心的另一側。送料機構由輥臺組成。

3定位機構的可行性分析

在木窗框銑削加工中，定位機構起重要的作用，決定了最終的加工精度。

圖5為某工廠所加工2 000扇木窗的尺寸散點圖，由圖5可以看出，實際加工中，加工的木窗尺寸大多數較為集中，但根據客戶定制化需求，仍會有少數木窗的尺寸與其他木窗尺寸差異較大，所以在設計雙端銑削加工中心時，各機構需要適應尺寸差異較大的木窗。

本研究根據以上需求設計了定位機構。木窗由自動上料機構進入定位機構時，其一端的窗框由固定的平臺支撐，另一端的窗框由托板支撐。通過絲杠螺母結構，托板可以沿著導軌做大行程移動，從而適應尺寸差異較大的木窗。

還需要注意的另一個問題是，由于加工精度與裝配精度限制，木窗在組框后，其窗框不同位置一定會存在不同程度的歪斜，側定位時，要根據不同位置的歪斜情況柔性定位。為解決上述問題，研究分析后采用了如下設計：托板上設計多組側壓輥機構，每組側壓輥機構的伸出量可單獨調節，根據窗框不同位置不同程度的歪斜，按需調整每組側壓輥機構的伸出量，以保證木窗框在各個位置都與靠尺緊密接觸，確保后續加工的精度。定位機構的壓輥裝置使木窗的底面與托板緊密接觸，起到定位作用，同時通過壓輥的旋轉，利用摩擦力可以使木窗橫向進給，不需要設置額外使木窗進給的裝置。

綜上所述，定位機構能夠適應大范圍變化的木窗尺寸，并保證木窗定位的準確性。

4側壓輥機構氣缸支架的有限元分析

夾緊機構需要保證足夠的夾緊力，才能夠保證工件穩定加工[12]。夾緊機構的核心在于側壓輥機構。側壓輥機構通過氣缸末端連接的側壓輥使木窗緊貼靠尺，抵抗銑削時的垂直進給力，保證了加工的穩定性與加工精度。氣缸支架的強度保證了加工的可靠性，其振動特性決定是否發生共振現象，如果支架強度不夠，或者發生共振現象，也容易使工件飛出造成安全事故，故需要對其靜強度與模態進行分析。切削力可以按照如下公式進行計算[13，16]。

厚切削時切削功率（P）的計算公式

P=9.807（awaqq +awahHfzsin θp）bhxvf1 000=9.42 kW。

平均銑削力（Fx）的計算公式

Fx=9.807awaqq+awahHfzsinθpbhxfzt=181.2 N。

垂直分力（Fy）的計算公式

Fy=f2-F2=4.2 N。

f2=9.807（1-x）awahHμfzsinθpbhxfzt=52.8 N。

F2=9.807awaqq+awahHfzsinθpbhxfzttan（90°-δ-Φ）=48.6 N。

平均運動遇角（θp）的計算公式

sinθp=hxD。

垂直進給力（Fu）的計算公式

Fu=FXsinθ－Fycosθ=53.4 N。

式中：f2為單個刀齒在切削寬度上的推力，N；F2為單個刀齒在切削寬度上的拉力，N；aw為含水率修正系數，取aw=1；aq、ah、x為刀具變鈍程度修正系數，取aq=1，ah=1，x=0.8；q為單位切削力中與切削角、切削速度有關的參數，q=1.016 1；H為與樹種及相對纖維方向的切削方向有關參數，H=0.132；fz為每齒進給量，fz=1 mm/z；b為切削寬度，b=100 mm；hx為切削深度，hx=10 mm；vf為進給量，vf=0.67 m/s；t為齒距，t=77.6 mm；μ為摩擦系數，μ=0.2；Φ為摩擦角，Φ=15°；D為銑刀直徑，D=100 mm。

由上述計算可知氣缸支架需要抵抗的垂直進給力為約為53.4 N。

支架與氣缸的連接形式如圖6所示，支架底部與托板連接，頂部通過2組螺栓的預緊力將氣缸夾緊固定。

粗略計算單個螺栓所需的預緊力為

2Fμ×2k=53.4 N。

F=106.8 N。

式中：F為單個螺栓的預緊力，N；μ為支架與氣缸間的靜摩擦因數，μ=0.15；k為安全系數，k=1.2。

利用有限元分析可以確定關鍵零部件的強度、形變是否滿足要求[14-17]。支架的材料選用Q235，壁厚為3 mm，根據機械設計手冊，其許用應力約為235 MPa。支架主要受到2個外載荷：螺栓的預緊力（F）、切削帶來的垂直進給力（Fu）。通過Solidworks建立支架及螺栓的簡化模型，導入Ansys workbench中，根據已知條件進行靜力學分析，可以得到支架的受力及應力情況，如圖7所示。

考慮支架受垂直進給力的形變時，需要排除螺栓預緊力給支架帶來的形變。支架的形變如圖8所示。

靜力學分析結果表明，受力時支架的最大應力為146.65 MPa，遠小于材料許用應力。無垂直進給力時支架的最大形變為1.047 4 mm，受垂直進給力時機架的最大形變為1.057 3 mm，表明垂直進給力對支架的形變情況影響不大。

對支架進行模態分析時，為了簡化問題，將2個機架上端的螺栓連接處設置為固定約束。對支架進行約束與分析后，可以得到的前6階模態振型圖，如圖9所示，固有頻率見表1。

通過對支架進行模態分析，得到了支架的前6階固有頻率。結果表明，并未有零部件的振動頻率與支架相同，故不會發生共振現象。

5加工中心加工效率的虛擬試驗驗證與分析

根據某木窗加工工廠實際數據，一臺UC6單端銑削加工機床由2名工人進行操作，窗戶加工效率為350扇/d。對加工中心的加工效率進行虛擬試驗驗證，根據實際生產節拍進行試驗分析，見表2。

利用Solidworks Composer平臺進行虛擬試驗驗證，按照設計節拍，得到理論加工中心的窗戶加工效率為800扇/d，由于加工中心由2臺單端銑削機床組成，折合每臺機床的窗戶加工效率為400扇/d，加工效率提升14.28％，并且加工中心僅需一人進行簡單上下料操作，節省了人工勞動力，如圖10所示。

6結論

針對被動式歐式木窗對窗框銑削加工的精度和效率要求，本研究提出一種木窗雙端銑削加工中心的設計方案。對加工中心的各個關鍵機構和零部件進行了詳細結構設計，通過solidworks進行了三維建模，利用Ansys軟件對關鍵氣缸支架進行了靜力學與動態特性分析，研究結果表明，本研究設計的加工中心能夠達滿足加工精度和效率的要求，加工效率提升了14.28％，滿足實際生產使用。

【參考文獻】

[1]周霞菊.被動式建筑在我國冬冷夏熱地區應用現狀及發展[J].住宅與房地產，2023， 675（2）：50-53.

ZHOU X J. Application status and development of passive buildings in cold winter and hot summer areas in China[J]. Housing and Real Estate， 2023， 675（2）：50-53.

[2]WANG Y P， HU L， HOU L C， et al. Study on energy consumption， thermal comfort and economy of passive buildings based on multi-objective optimization algorithm for existing passive buildings[J]. Journal of Cleaner Production， 2023， 425：138760.

[3]馬伊碩，郝生鑫，曹恒瑞.中國被動式低能耗建筑的發展模式和發展趨勢[J].建設科技，2020，（19）：8-12，28.

MA Y S， HAO S X， CAO H R. The development model and trend of passive low energy buildings in China[J]. Construction Science and Technology， 2020， 416（19）：8-12，28.

[4]李九陽，陳立，郭金鵬，等.雙碳背景下被動式超低能耗建筑發展的影響因素及對策[J].建筑經濟，2023，44（S1）：364-366.

LI J Y， CHEN L， GUO J P， et al. Research on the development and suggestions of passive ultra-low energy buildings in the context of carbon peak and neutrality[J]. Construction Economy， 2023， 44（S1）：364-366.

[5]ANAND V， KADIRI V L， PUTCHA C. Passive buildings： A state-of-the-art review[J]. Journal of Infrastructure Preservation and Resilience， 2023，4（1）：3.

[6]房丹.被動式超低能耗建筑設計淺談與應用[J].城市建設理論研究（電子版），2023（13）：82-85.

FANG D. Passive ultra-low energy building design and application[J]. Theoretical Research in Urban Construction， 2023（13）：82-85.

[7]魏賀東，趙及建，李秀峰，等.被動式門窗安裝位置與建筑節能性能分析[J].建設科技，2017，（17）：54-56.

WEI H D， ZHAO J J， LI X F， et al. Analysis of passive door and window installation position and building energy saving performance[J]. Construction Science and Technology， 2017（17）：54-56.

[8]馬俊清.節能：中國木窗產業的發展方向[J].中國建筑金屬結構，2013（13）：46-47.

MA J Q. Energy saving： The development direction of wood window industry in China[J]. China Construction Metal Structure， 2013（13）：46-47.

[9]姜新波，郭璨，馬巖，等.歐式木窗表面雙端砂光機的設計與分析[J].林產工業，2017，44（5）：14-18.

JIANG X B， GUO C， MA Y， et al. Design and analysis of the double-end surface sanding machine of European type wooden Windows[J]. China Forest Products Industry， 2017， 44（5）：14-18.

[10]夏興華，倪貴林，陳峰.淺談歐式木窗產品窗框和窗扇的銑型加工[J].門窗，2012（2）：22-25.

XIA X H， NI G L， CHEN F. Brief analysis of process for window frame and window sash milling of European-style wood window[J]. Doors&Windows， 2012（2）：22-25.

[11]張自鵬，黃友智，張寒松.數控雙端銑榫機整機結構的設計研究[J].木工機床，2021（2）：1-5，9.

ZHANG Z P， HUANG Y Z， ZHANG H S. Design and research of the whole machine structure of CNC double end milling tenon machine[J]. Woodworking Machinery， 2021（2）：1-5，9.

[12]尚偉，張巨香，申小平.機油泵轉子軸上銷孔的鉆床夾具設計[J].粉末冶金工業，2016，26（6）：67-70.

SHANG W， ZHANG J X， SHEN X P. The design of drilling fixture for the pin hole on oil pump rotor shaft[J]. Powder Metallurgy Industry， 2016， 26（6）：67-70.

[13]賈娜.木材切削原理與刀具[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2013.

JIA N. The principles of wood cutting and tools[M]. Harbin： Northeast Forestry University Press， 2013.

[14]王慧，崔生樂，安洋，等.竹材切割機械臂及關鍵零部件設計仿真[J].包裝工程，2022，43（17）：165-173.

WANG H， CUI S L， AN Y， et al. Design and simulation of bamboo cutting manipulator and parts[J]. Packing Engineering， 2022， 43（17）：165-173.

[15]婁章迪，童科挺，呂博，等.鋼-竹組合箱形梁抗剪性能有限元分析[J].森林工程，2023，39（4）：170-179.

LOU Z D， TONG K T， LYU B， et al. Finite element analysis of shear behavior of steel-bamboo composite box beams[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：170-179.

[16]宋欣， 陳龍寶， 單梁， 等. 增材制造民機元件靜力驗證試驗設計及實現[J]. 哈爾濱理工大學學報， 2022， 27（5）70-78

SONG X， CHEN L B， SHAN L， et al. Design and implementation of static verification tests for additively manufactured civil aircraft components[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2022， 27（5）：70-78.

[17]戰麗，張志文，楊春梅，等.履帶式林間剩余物集材機關鍵部件設計與試驗研究[J].森林工程，2023，39（3）：131-139.

ZHAN L， ZHANG Z W， YANG C M， et al. Design and experimental study on key components of crawler forest residue skidder[J]. Forest Engineering， 2023， 39（3）：131-139.

[18]李志強，李俊，劉方凱.鋁合金托盤有限元分析及優化設計[J].包裝工程，2018，39（5）：126-131.

LI Z Q， LI J， LIU F K. Finite element analysis and optimum design of aluminum alloy pallet[J]. Packaging Engineering， 2018， 39（5）：126-131.