高速封邊機修邊機構運動學仿真強度分析

黃國榮

（廣東先達數控機械有限公司，廣東 佛山 528308）

0 引言

封邊操作的工作內容是把物件與緣材處于高溫狀態時更結實更快速地進行粘合，并去除掉多出來的緣材，同時對緣材實施修改美化，這個步驟是達到板狀材料改造流水生產線上的關鍵環節。在實施封邊之后，在家具的外觀以及質量上都能實現很大的提高。封邊用板件一般是中纖板、刨花板等等材質的整板經過鋸切而成，側邊密度不均衡，存在很顯眼的缺陷。經過封邊操作，可以使物件的外觀和質量大幅提高，防止家具處于運送狀態和工作狀態時邊角部分遭到破壞、膠合面與家具分離，也可以有很好的絕水性，密封住毒害氣體，讓其盡可能少的擴散到空氣中，而且還能有效的阻止家具變形等。

1 封邊技術的重要性

封邊技術在板式家具加工過程中已經被廣泛利用。家具的外形和質量取決于零部件的封邊技術。封邊技術可以提升家具的美觀程度也可以防止板材部分不被水分破壞、不受外界環境濕度的影響，在此基礎上，還可以防止板材的毒害氣體擴散到外界。該技術能夠使家具的使用時間大大加長，也能夠使家具更環保，對環境減少污染。封邊工序作為板式部件加工最最復雜、最重要的工序，進行封邊時，極易出現質量方面的缺陷，封邊工作的好壞一定程度上體現了家具的質量。提高封邊技術在家具附加價值的提高方面起著非常重要的作用。修邊組件作為封邊設備中對家具邊緣精細操作流程里很關鍵的組件，該部分工作的質量決定了封邊的最終效果，也直接作用于整個封邊環節的工作效率。所以，科學、精準的對修邊組件進行仿真模擬研究，明白其中的力學特點，對其進行優化，不僅能提高修邊機構的可靠程度，也能夠提高整個封邊工序的工作效率[1]。

2 封邊設備的控制流程

為了在工序完成后更好的去除從縫隙中壓出來的熱熔性膠，應該使用防黏劑。為使部件封邊部位平滑，提升封邊材料的固結能力，必須提前齊邊銑削。部分封邊設備無此功效，部分工作人員也不會進行該項操作。若是出現部件下方膠合處縫隙過寬，或者完成封邊工序后表面不夠平滑，就必須要進行提前齊邊銑削。裁板鋸一般配備兩種鋸片，一種是劃線鋸片，另一種是主鋸片，劃線類較之于主鋸，通常會厚0.2～0.3mm，這種情況會造成工件下緣缺失的情況。在使用薄封邊帶時，該情況不會特別明顯，若是使用厚度大于2.5mm 的封邊帶操作時，缺損現象異常突出，在此情況下，提前齊邊銑削是必須的工藝。熱熔膠使用時的溫度通常大約是150℃，同時要持續到封邊材料完全黏合狀態。如果膠合部位達不到規定溫度，使用的熱熔膠溫度降迅速降溫，會導致膠合強度達不到要求，特別是冬天。所以，冬天施工時，不得不充分加熱膠合部位。通常提前加熱的部分長度是250mm，待封邊部分和熱熔膠保持一致的溫度時，才可以更好的完成膠合作業。封邊設備的膠材組件是分層次提高溫度的。放進設備熱熔膠到達提前加熱的部位，完成膠粒的提前加熱后，傳送到膠箱。膠箱里通常會比涂膠輥低15～20℃。如果膠箱里的溫度超過規定的溫度，會造成熱熔膠的氧化等不良反應，對其膠合能力產生不良影響。通常提前加熱的部位溫度區間是140～180℃，膠箱里溫度區間是160～200℃，確保膠于膠箱里可以保持流動性，而且，不出現不良反應。膠輥自帶的升溫設備在實施噴膠時溫度會提升15～20℃。因此，處于間歇性停止施工時，必須把溫度控制在150℃左右，使的膠體被很好的保護。好的涂膠輥自帶控制元件，在膠輥涂布處于部件末端時，熱熔膠會結束上膠，避免末端積膠。封邊設備在膠材的使用量方面能夠做到按需噴涂，在需要時會自動上膠，不需要時，便可自動停止用料。封邊作業時膠材的使用量要限制在200～300g/m2。直線封邊設備自用料開始直至結束用膠所需的時間只有1s，若是能在這個用膠的過程中將溫度維持在合適的范圍，便可以是的封邊效果達到規定的要求，同時膠的粘合性能也能達到最佳效果。也就是較好的膠合強度。實施貼合之后的封邊材料經由2 把鋸片從前后端面切割，新研發的封邊設備切割之后的封邊材料只需要保留2mm 的溢出量，如此操作，在封邊材料的使用上能做到節約，做到了成本的降低[2]。

封邊板件邊緣修整有三道工藝流程，分別是初修，精修，刮邊。一般情況下，實施封邊之后，所用的封邊材料高度要超過板材約1.5mm，利用銑刀將將其削平整。通常做完初修要多余留0.5mm，用以精修，做完精修后，要保存0.1mm 用以刮邊。操作封邊機時使用封邊設備時必須了解并熟練運用每個工藝參數的設置以及其變動。部分操作數據必須按照封邊設備操作的實際狀況去變動，如此方可確保封邊質量。封邊時還必須確保封邊機使用的部位空氣平穩流動，來達到使用熱熔性膠時溫度不會出現太大波動，封邊加工處于良好的狀態，封邊機的安裝位置需空氣流速應相對平穩，以保持涂膠封邊過程溫度穩定。

3 基于動力學的修邊機構建模及運動分析

封邊設備構成部分很多，如支承板、電機、氣缸等。經過SolidEdge 程序對封邊設備中修邊構件做三維實體建模，同時進行配備，把做好的模型用.x_t（Parasolid）文件的格式輸出并導入Adams，獲取到修邊機的虛擬樣機模型（圖1）。

圖1 修邊機的虛擬樣機模型

修邊設備關鍵數據如下。纖維板長245mm，寬180mm，高15mm，其工作速度有0.2167m/s、0.2550m/s、0.2917m/s 三種，假設的氣缸剛度是2000N/m、4000N/m及8000N/m 三種。經過專業設備研究，明確了處于不一樣的用料速率下，各種氣缸度對修邊設備整個功能的影響。把每個不同的數據做了比較和分析后得到用料速度處于0.2167m/s 時，氣缸剛度越大使電機基座就可以更短的時間里穩定下來，在Ks=8000N/m 時基本上沒有速度的變動，這時所選擇的氣缸剛度為最佳[3]。

4 基于有限元的修邊機構建模及強度分析

把SolidEdge 程序中做好的模型傳輸到到Hypermesh 中，同時把該模型完成幾何清理、網格劃分、施加載荷及約束等提前操作，完成后上述操作后，將其傳輸到Ansys 中分析獲取該模型靜力學分析數據。

4.1 三維有限元模型建立

于Hypermesh 里把模型簡化處理，來提升網格分步的質量。將模型進行簡化以提高網格劃分質量。在Hypermesh 里用八節點六面體單元完成實體模型的網格化分步操作，這里面的單位數量總計269770 個，節點數量總計為327961 個。該模型使用的原料設定為一般的鋁制材料，屈服強度范圍是80MPa～100MPa，彈性模量為E=71.705GPa，泊松比μ=0.33。

4.2 負重和約束

修邊設備在使用時候依靠模聯通和纖維板的觸碰拉動所有修邊組件的工作，在上述的Adams 動力學仿真分析的基礎上，我們能夠得出，所有的接觸力中，最大的那一刻都產生于剛剛觸碰的那個部位。當靠模和電機地步二者中間設定碰觸單位，然而將修邊組件的別的零件之間完成剛性連結，來確保每個組件之中相互力以及力矩的傳輸。修邊設備整體都牢固地放置在地表上，所以必須在底部針對它X、Y、Z 軸實施整體束縛。

4.3 有限元結果分析

按照Adams 研究的數據，當靠模和纖維板之間的碰觸部位使用的最高外載是-625.91N。這個時候右邊氣缸將在預緊的情況中，為了使構造模型更為簡單，把氣缸的預緊力無間隔地加壓在氣缸和連接板中間，它的數據為-241.3N。通過Ansys 程序針對模型完成的靜力分析，修邊設備的位移位置移動最高形變部位在靠模，它的形變數據是0.4219mm。修邊設備應力最大值是39.3107MPa，產生于右邊連結部位的最底端，因為論文里把電機底座自己四桿構造用剛性的方法進行連結，所以，通過該模型得出的數據通常會大于真實的數據。靠模的最高應力值是10.4042MPa，產生于靠模和纖維板之間相互碰觸的部位周圍。因為普通鋁材的特性（屈服強度范圍是80MPa～100MPa），這里討論的最大應力數據遠沒有鋁材的屈服范圍大，有很強的安全保障，能夠達到設計的要求[4]。

5 影響封邊質量的因素及對策

5.1 基材因素

進行封邊時利用的基材大多數是中密度的纖維板、刨花板，若是人造板在厚度方面誤差超過了規定數據，就會對封邊工作產生較大影響。材料厚度變大會讓履帶上的壓緊輪過于壓得緊，造成面板的應力變大，材料厚度不足會出現履帶上壓緊輪壓力不夠的現象，直接導致封邊帶施壓和工件結合不夠緊密。新型的封邊設備基本上能夠滿足上述需求。

5.2 加工因素

規定人造板基礎材料在完成了開料以及精確裁剪操作后，材料的邊緣部位是光滑的平面，連接處處于垂直狀態。劃痕鋸的鋸路同樣為裁板質量方面的一個重大影響因素。此類源自于機器的偏差以及工作方法方面的偏差導致完成封邊操作的板材的表層缺陷，讓封邊材料不可以和基材全部貼緊，甚至出現崩口等問題。

5.3 封邊帶的影響

通常使用的封邊材料有很多種，如實木條、三聚氰胺浸漬帶、PVC 等。PVC 帶以及三聚氰胺浸漬帶為不間斷卷狀材料，實木條為非連續性的條形材料，單板是帶有背襯紙的連續卷材。非直線封邊工作采取的材料大多一樣。PVC 封邊帶在上述材料中屬于使用范圍最大的材料，但其特性導致自身受制于溫度，冬季情況下，PVC 封邊帶容易硬化，同時也不容易和熱熔膠更好的粘合。存放很久的PVC 封邊帶，其表層將出現老化層，使得其不容易和熱熔性膠膠合。三聚氰胺封邊帶有三個特性，分別是高硬度、韌性不好和薄（0.3mm）。因為這類封邊材料過硬，通常會導致不能很好的將切口做平整。也因為它過于薄，就不可以自成一體，沒有很好的膠合膠合強度。使用這類的封邊帶不能很好的修邊，經常出現返工現象，也造成了材料的浪費。一般的選擇是對封邊帶的品質進行篩選，盡可能的縮減修邊的余量（小于1mm）。封邊所用的選材如果為條狀或卷帶形就可以送入直線封邊機，材料表層可以和熱熔性膠很好的膠合，實施封邊操作后，余下部分可以讓封邊設備上的刀具造成修改亦或是加工，達到上述三個規定的材料都可以用作直線封邊。

5.4 膠黏劑因素

直線類封邊機構利用的是專門的熱熔性膠。冬季氣溫很低，為確保膠合能力，熱熔硬膠的溫度應該比較高，高于常規數值。同時不可太高，若是溫度高于190℃，膠的黏度達不到要求，膠層厚度達不到要求，在將膠上到材料上時，溫度已經被降下來，這時，封邊材料的溫度也會隨之變低，封邊強度達不到要求。如果溫度降到170℃，由于過低的溫度也會導致膠合強度達不到要求，此類問題非常矛盾，必須全面考量，并解決問題[5]。

6 結語

修邊機作為封邊設備工作中的關鍵功能組件，它的質量決定了封邊操作的整體質量。文章經由建立封邊機虛擬樣機模型，用封邊設備的用料速率和氣缸度作為設置變動量，傳輸到Adams 中進行運動學仿真分析，由研究數據得出分：在不一樣的用料速率下，最佳的氣缸度的選擇是不一樣的。只是，當進料的速度變大，電機的地步達到平穩狀態需要的時間就更少，纖維板和靠模之間的接觸力也會隨之變大。用Adams 研究的結果為基礎構建了簡化的修邊組件有限元模型，研究其在壓力狀態下造成的最高接觸力度，比較不同材料的速度強度，得出結論，結構最大應力值遠遠不超出其屈服值范圍，構件設計在強度方面能夠達到設計要求這些研究在以后的優化上有很大作用。