木工热压机(现代木制家具制造技术进展)

Posted 2023-05-29

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木工热压机(现代木制家具制造技术进展)

21世纪以来，随着全球经济的发展，国际家具业的增长十分迅速，生产总值已超过2500亿美元。发达家具业的生产大量应用了新材料，在制造及其控制过程中大量采用现代计算机技术和信息技术手段，使这个传统产业跻身于现代产业之列。由于家具是人们生活和工作须臾不能离开的器具，它必将以不断改进的结构和日益增多的功能来满足人类的需要，改善人类生活的品质。因此，这个产业将持续地保持着勃勃生机，与人类社会的进步同步发展。

1 新材料的应用

木质家具包括实木家具和人造板家具，时至今日仍是家具中的主要门类，在欧洲占整个家具产量的44.6%（其中27.9%是家具，16.7%是家具零部件），在中国则要占到60%以上。木质家具所用的材料主要为实木锯材和木质人造板材（图1）。

图1 木质人造板材的划分

人造板中最主要的传统品种是胶合板、刨花板、纤维板（含中密度纤维板）和细木工板，它们在家具制造和室内装潢中具有多种功能和装饰用途。随着优质大径原木供应短缺，人造板产品的用途日益广泛。新技术的发展引起市场份额的重新分配，如刨花板和纤维板在家具和木制品领域代替了传统的胶合板，而MDF又在家具领域部分代替了胶合板；OSB则在结构用材领域部分代替了胶合板。同时，为了适应人们对家具新的需求如重量、强度、审美等，人们在木质材料上又开发出新的品种。

1.1 轻型木质材料——蜂窝板

一种以往只用于做门的木纤维人造板材——蜂窝板目前正开发用来制造家具，这是因为购买家具的趋势之一表现为人们会逐渐将家具是否轻便作为判断家具质量的一个标准。传统上在家具制造中使用蜂窝板都采用有框架蜂窝板，然而在2005年5月德国汉诺威展览会上，德国依马公司（IMA）首次展出了多年的研制成果——轻质无框架蜂窝板封边机，它使一种新的高效低成本的轻质无框架蜂窝板封边工艺成为可能，在利用纸质蜂窝材料制造家具方面开创了新的思路、方法和前景，从而使蜂窝板制造家具可以实现产业化、工业化和自动化。

新型轻质无框架蜂窝板的制造工艺是一种工业化的生产过程。它采用大板（4′×8′，即 1220mm×2440mm）的制造工艺，即先做无框架大板蜂窝板。具体做法如下：将2张4′×8′的3mm厚的高密度板经过布胶之后，中间夹上经过拉伸处理的4′×8′的蜂窝纸。然后将这种已组好坯的4′×8′三层大板送入热压机里热压，热压之后采用电子开料锯或裁板机进行锯切达到所需要的尺寸。这种轻质无框架蜂窝板，四周没有框架，利用德国依马公司生产的无框架蜂窝板封边机进行支撑边条和装饰边条的封边，就形成了各种规格的家具板件。

家具生产中所需要的不同厚度的家具部件，就可以通过选用不同厚度的蜂窝纸用前述工艺制成不同厚度的轻质无框架蜂窝大板，然后经过开料裁成所需要的各种尺寸的板坯，再经无框架蜂窝板封边加工，就可得到各种规格的家具部件。这种工艺不仅大大减轻了厚板件部件的重量，同时大大减化了工艺流程，使厚板件的制造成本也大为降低。但是对这种部件的连接，需要特殊的五金件技术，在后文中将加以叙述。

1.2 可塑形或可弯曲的木质材料

木质人造板通常是板型材料，适用于制造直线型的家具，但较难于用来制造立体形或圆弧形的产品。目前有两种新材料正在开发中，即

（1）重复可塑的木质材料

（2）可弯曲的木质材料

重复可塑的木质材料由普通刨花和长条薄片刨花胶合而成，它结合了刨花板和定向刨花板的特点，可以进行立体变形，在实现所需要的形状以后，再对胶粘剂施行固化以定型。

德国的BSW公司研制出一种可弯曲的刨花板。它由一种塑性聚亚胺酯泡沫和木材或软木碎料组成。这种以“Recoflex”为品牌的木质材料原来是为制造可卷曲起来的地板而研制的，但后来发现如果把它来做家具的弧面结构也十分方便。目前这种材料正在试验之中。

1.3 彩色和装饰性木质材料

中密度板用透染工艺制成所需要的颜色，如绿色、红色、紫色、黄色等，但要求颜料和色素不含有毒的金属成份。这种板材与一般的中密度板一样可以进行通常的加工与处理。它的最大特点是在使用中不会因碰撞、摩擦而像涂漆的木质材料那样产生明显的痕迹。

装饰性的木质材料则是通过模压或化学方法产生特殊美学效果的表面，起到装饰作用。

1.4 木塑复合材

在塑料中添加木材碎料，生成“木塑料”或“木塑复合材”。它的最大优点是抗潮性强、尺寸稳定性高，可进行立体形状的成型，比普通塑料的强度高。目前正在研究提高木纤维的比例，使木纤维高强度的特性更进一步地发挥。目前，德国的Werzalit公司已能生产适于制造家具的木塑复合材。

1.5 定向刨花板

表层用条状薄片刨花，芯层用细小刨花，表层刨花与板材纵向平行而胶合压制的刨花板称为定向刨花板。定向刨花板的各项物理力学性能远优于刨花板，接近甚至超过胶合板，具有强度均匀、尺寸稳定性好，且具有良好的锯、刨、钻、钉等加工性能，是结构胶合板的理想代用品，而其平均售价只相当于同等性能胶合板的一半。在家具制造中，可作为橱柜侧板、搁板、桌椅面板等，或用于“自己动手做（DIY）” 家具的材料。可以根据家具的不同用途，定制不同等级的定向刨花板来满足需要。

2 新的加工工艺

新的加工工艺的特点表现在两个方面，一是最优化地利用材料，提高出材率和降低材料成本；二是延长刀具或刃具的使用寿命和调机换刀时间，提高设备使用率和降低加工成本。

2.1 切削加工

2.1.1 优选锯下料

优选锯是用数控手段来实现配料优化，它是对等宽的方料经扫描头对材料扫描，计算机对所需要截除的缺陷下达锯截的指令并执行，同时计算机根据生产任务的要求，实施配料方案，自动进行长短的搭配并统计，直至配齐全部用料为止，再进入下一个配料方案。优选锯的优点是显而易见的，它有产量优化、价值优化、数量优化、可选择性搜索、柔性功能强、加工精度高、生产效率高、功能强大、节省开支等优点。台升公司配料工段配备的优选锯组是一个典型的范例，提高木材利用率2%，以每月板材开料量7800立方米计，全年约可节省板材1870立方米，价值467.5万元。

2.1.2 数控四面刨的刨削加工

数控四面刨的主要特点为多个刀轴，各刀轴具备记忆功能，每个刀轴的运动由计算机系统来控制，该计算机系统还能存储刀轴的方案，如威力公司(Weining)出品的多轴四面刨具有100组刀轴配合方案的存储能力。

数控四面刨不仅刨削质量高，而且由于利用计算机系统来调整刀轴配合，因而缩短了调机时间，比普通四面刨的效率大大提高。

2.1.3 刀具和刃具

硬质合金的锯齿和刀刃现在有了较大的改进，它有以下途径：

（1）根据所加工的木材，选择硬质合金的硬度和刀片的几何形状，以从根本上延长刃具的使用寿命。

（2）在刀具表层上涂覆附着层，以减少切削加工中的摩擦和功率消耗，减少材料粘附，起到延长使用寿命的作用。

（3）采用复合刀具，如刨边/倒角、刨边/开槽、铣/钻这些作业共用复合刀具，可以减少刀具的更换，减少刀具的库存。

目前，使用金刚石刃具正在增多，它拥有较长的使用寿命，在经济上划算。此外，可以通过控制机床的转速来适应不同材料的加工条件以延长刀具的使用寿命。

2.2 装饰技术

2.2.1 贴面

家具部件如台面、桌面、柜门采用贴面材料来饰面，一般是通过热压工艺把装饰纸、单板、或人造树脂如三聚氰胺、聚酯或环氧树脂饱和浸渍或涂覆的材料覆贴在表面上。

有两种热固性贴面材料，即高压贴面材料(HPL)和低压贴面材料(LPL)。前者形成塑料型的表面，宜用于易受到摩擦或极度磨损的场合；后者通常形成三聚氰胺型的表面，适用于一般使用场合，成本相对较低。

高压贴面材料的机械力学性能较好，这是由于它的基材相对于松散的板坯要紧密得多，加之在较高的压力下，固化时间又较长，因此能产生较坚固的贴面。但是，低压贴面材料由于生产周期短，因此价格比较便宜。

高压贴面材料是装饰性的层积塑料片张，它由纸、纺织纤维或其它芯材组成，在高压下层积，所用的胶粘剂是热固性缩合树脂。实际上，它的基材在专门的树脂浸渍装置中的浸渍过程，同时也是一个施胶过程。基材与树脂的结合使每一层的层积材料具有一系列特殊的性质。大多数高压贴面材料由专门的酚类树脂（热固性的）和纸张组成，具有坚硬、耐擦伤、抗污、抗压痕的性能。三聚氰胺浸渍的装饰纸比酚类树脂浸渍的牛皮纸要来得坚固些，在高压高温下形成均质的层积材。这些层积材可以在低于6900KPa的压力下模压和固化，一般使用的压力范围为8.3-13.8×103KPa。由于使用高压层积工艺，这些材料一般都有很高的力学强度，作为一种热固性塑料，它们还有很好的耐热性能，并且可以在100℃以上还保持这些力学性能。

在压制中，几张层积材料叠在一起，固化时间依材料而定，但是加压过程一般需要2-4个小时。高压贴面材料是最坚固、耐磨的材料之一，可以采用各种表面装饰材料，通常用来必须承受恶劣的使用条件，但仍能保持原来的外观的场合。过去主要是做层积地板。但是现在越来越多地用在家具上，由于其耐久性和抗冲击的性能极佳，所以高压贴面材料用得最多的部位是水平面，如工作台面、桌面、商店用柜的台面。

作为一种饰面材料，在与素板（刨花板、中密度板、蜂窝板和无机材料板）组成饰面板时也可用冷压法加工。冷压法指复合时不加热只加压，这是在制作饰面板时用得最多的工艺。

低压贴面材料(LPL)包括低克重的底层纸、饱和浸渍纸、装饰膜和乙烯膜。低压贴面材料通常包含有一张用三聚氰胺或脲醛树脂浸渍过的装饰纸。这些层积纸压制在基材如刨花板上。低压贴面材的固化周期比较短，通常以分钟计，最多是1个小时。现在用低压贴面材料模仿金属表面越来越多，或者是采用高压贴面材料中常用的图案，这使低压贴面材料的应用范围更进一步扩大了。

2.2.2 异型条的包覆

为了增加家具的审美价值，家具装饰零件中使用异型条越来越多。异型芯条用指接材、中密度板、刨花板作为原料，在成型铣床上加工而成，外面包覆装饰材料如实木单板和人造单板、高压贴面材料、装饰纸、塑料薄膜如PVC和聚丙烯、乙烯膜或金属膜等，包覆工艺在专门的型条包覆机上完成（图2）。

异型条的包覆工艺是在包覆材料的背面施胶，然后贴合到型条芯条上，形成美观的外表面。它是一个连续加工的过程，开始是对裁剪成要求宽度的覆膜卷放卷并在内面施胶，这样所得的表面较为平伏熨贴，工件（型条芯条）通过轮子输送，首先与覆贴辊接触，一组固定的覆贴辊（其数量和外形根据所需要的型条外形设计而定）在所有的平面、曲面和转角处把包覆材料压紧在芯条上，直至在整个宽度上已完全包覆并固结。压制通常是在工件的中心处开始，尔后向每个侧面扩展，这样，当型芯条在一边向前移动，覆贴材料也不断包覆上去。常用的异型型条其外面是各种装饰纸，内芯则是木质和人造材料的型芯条。这种产品有窗用型条、门用型条、百叶窗用型条、厨柜门、各种办公家具用型条和商店家具用型条等。

2.3 新的五金件技术

2.3.1 蜂窝板家具的专用五金件

新型的“Tab A”产品是第一个传统意义上的蜂窝板家具连接件，已实现批量生产。在2004年ZOW展会上，“Tab A”样品被授予“Innovation Scouting”创新奖。在此基础上继续开发并完善而成的连接件在2005年的Interzum展览会上被授予“Interzum奖”。Korpus公司专用于可拆卸家具的五金件“Tab A”满足了可以不受限制地安装在3mm或5mm的孔眼中。为此还专门开发了一种特殊的螺丝件“Varianta HC”，可以将五金件直接安装在蜂窝板的覆盖层上，无需使用专门工具。Tab A适用于厚度为32mm和40mm的蜂窝板，主要应用在立柱式结构(Stud Furniture)的家具和厚面板中。

图3 使用小螺丝可以将传统的五金件安全固定在蜂窝板上。

“Varianta HC”可以用于固定抽屉滑轨、Tablar承载板、

背板固定角和用于无定位件蜂窝板上铰链装配板，

从外表无法看出由蜂窝板的轻便效果。

镀锌的专用螺丝件Varianta HC有两种规格直径，分别为3mm和5mm。这种螺丝件可以固定厚度至少为5mm的面层，既可用作连接件，也可以将其它五金件固定在蜂窝板上。在安装过程中，将装有夹紧装置的塑料外壳嵌入木板中20mm直径的孔内，并用两个专门的螺丝件固定。表面经过锌压铸改善处理的基座部分将分别旋拧在3mm和5mm的孔中。板厚至少为40mm，这样可保证Varianta HC达到必要的稳定性。Varianta HC可以平衡约1mm的钻孔偏差（图3）。

特殊五金件“Minifix 15/34R”适用于板厚达到34mm的蜂窝板，隔板锁紧装置Tab V50适于厚度至少为50mm的蜂窝板。

2.3.2 新型的“人性化”五金件

外观隐藏式的五金件如铰链或拉手，它们安装在抽屉或柜门上，只要膝盖轻轻一顶就可以开启抽屉，或用手轻轻一按就可以开启柜门，具有“魔幻”的效果。这是在2005科隆展上展出的新品。

“软闭合”五金件使门和抽屉的启闭“悄然无声”，在一些铰链或滑道里面装有软闭合装置，或者以各种形式安装的独立装置，这些装置甚至可以让用户按照个人对启闭速度快慢的喜好来自行调节。

3 控制技术

在现代家具生产中，控制技术的进展表现为利用计算机技术和现代通讯技术对整个工厂和生产线进行全面地制造过程和质量的控制和管理。

具体表现为：

（1）机器具有记忆功能，在提高生产效率的同时极大地增加了工艺的柔性；

（2）将生产组织和管理职能有机地结合，形成一体化的家具企业管理信息系统，并进一步为家具企业发展提供商业智能和决策支持能力；

（3）进行产品数据库的建设，使其成为生产管理软件的运用基础；

（4）现代化生产方式下的品质保障体系更加完善，对家具每个制程的质量有效地控制，减少了品质问题。建立厂内测试中心；

（5）利用先进制造手段及管理方式取得降低成本的优势。

（6）企业运营模式走向推动式生产，即不按销售订单生产，而是根据市场预测制订销售计划，再安排生产，所以仓储系统的规模巨大，这要求装备现代仓储系统。在该系统中，由ERP系统服务器发出作业指令，库存管理系统WMS作为相对独立于ERP系统的一个系统，通过ERP接口与其实现数据资源共享。ERP系统提供订单、产品PO条型码、产品BOM数据、出货产品明细及出柜明细表等数据给WMS系统。WMS系统处理数据包括ERP系统提供的数据及自产品下包装线后随托盘自动运行的过程中的所有数据。WMS系统由数据管理层、群组控制层、单元制造控制层及机械控制层这4个控制层级构成（图4）。WMS系统软件实现在库管理功能、托盘ID自动入库功能、出库功能、盘点功能、实绩管理功能、提供其它画面清单、Host主服务器通信、控制功能、设备支持功能等9大功能。

概括地说，就是以先进的科学技术支持巨大的产能，而其生产方式是标准化的，并在信息化的平台上实现现代管理模式。整个生产和管理表现为一个严密的、有序的系统。

4 未来的制造方式——大规模定制

自20世纪90年代兴起的新经济使市场发生了根本性的变化，顾客的个性化需求日益增长，人们更多地要求的是独特的送货方式、具有个性的家，甚至是不同于别人的家具。消费趋势专家估计，到2010年美国市场近30%消费类商品将实现个性化定制。对应于这种市场，要求工厂生产出“多品种、小批量”的家具，这对“少品种、大批量” 传统的大规模生产方式提出了巨大的挑战，即要求在提供定制的产品和服务方面与创造利润方面取得平衡。

大规模定制指的是客户和厂商共同设计产品及其服务的过程，而这能在产品特性方面满足每一位个人客户的需求。所有的运营都在一个以确定的，但仍具有灵活性和响应性的过程为特征的固定解决方案空间(fixed solution space)中被完成，这需要使用复杂的系统，产生极度的多样性。结果是，因定制而产生的额外成本允许产品价格仍旧维持原有的价位，或提升到稍高的但能使顾客接受的价位，因此就有可能实现上述的“在提供定制的产品和服务方面与创造利润方面取得平衡”，其技术关键在于应用成组技术对标准化生产的零部件进行模块式组合，并辅之以少量的“非标”零部件，来解决这个“两难”的要求。在现代通讯技术和计算机技术的支持下，已有可能实现。因此，大规模定制的最佳定义是，一个大规模市场的产品和服务能以可承受的价格进行个性化，满足极个别客户的需求。

大规模生产的目标限制了产品的变化，而大规模定制的目标实质上是在固定方案空间内管理产品的极限变化、过程以及信息。这通过两种方式完成：首先我们转移大规模生产中产品标准化的概念为过程标准化。通过标准化设计、产品工程、制造过程，我们将消费者对产品的需求合理化于一个执行系统——固定解决方案中；其次，我们使用信息技术来整合并自动生成信息，并在整个企业中发布。以这种方式，我们能系统化地管理动态变量。

大规模定制包含许多独特的因素，这些因素同时在一个单独的商业系统下被设计、开发和操控，而不是被分隔为多个不同的部分。

——模块化产品平台：大规模定制理论认为我们制造消费者所需要的产品，因而个人的选择将带来产品爆炸性的“繁殖”。产品平台可提供相当宽广的产品配置可能性，这是根据通用的一般设计和工程原理。在这儿，用于组装的工程信息不是一对一的，而是一对多的。举例来说，一个可配置的模式之下，有着数千个终端项目的可能性。

——过程标准化和整合：产品平台被设计用于柔性化生产，但是其过程不是由零件或组装类别进行定义，而是由它们独特的过程属性定义的。当零件可能在尺寸、颜色或封边厚度上有所不同时，但只要有着相同属性，就可以遵循标准的过程化生产。总之，是通过工程、订单或销售配置的方式，把这些属性进行标准化并将它们与消费者一起整合入设计进程进行销售。

——终端到终端的信息系统：信息系统是大规模定制的关键部分，被设计用于支持产品平台、自动化工程，甚至加速业务过程中有效的订单信息流。其中，数据库为有效操作和维护能力提供重要的保证，它规划和协调产品设计师、市场和销售人员、过程工程师和IT人员之间的关系。

将业务从传统模式转移至大规模定制并非一项简单的工作。这种改变不是仅限于行业内的，而是全球范围的。它要求公司文化在思路和行动上发生显著的改变。

对于那些已经着手提升组织学习技能的公司来说，例如那些正在执行或已经完成精益生产、6σ（六西格玛）或其他持续改良转型的公司，这一转变将不算太困难。而对于另外的公司，管理上的改变将会是困难的，但也绝不是不可能的。

特别重要的是销售和营运部门之间的沟通。一个信息充分的多功能团队由销售、市场、营运和产品设计人员组成，确保客户能得到他们想要得到的东西，并且在项目营运中获利。

将近20年来，家具行业一直将其生产方式定位于柔性制造，这是大规模定制的核心技术。另外一些实行精益生产的公司，大大提升了单元制造和流水线制造能力(Cellular and flow manufacturing)。这些提升将帮助公司加快转型，降低资本投入。因此，转向大规模定制模式的成本将在员工培训、产品合理化及开发、信息技术的投入方面得以下降，而更低的成本将使回报更快。

因为大规模定制提供给客户的，不仅是产品，而且是他们真正想要的——选择，产品和服务的个性化选择创造了积极的消费体验，这样的体验将转化为真实的价值、具有差别性的优势和利润，这一切就决定了转变商业模式将成为企业可持续发展的唯一道路。美国经济学家预言，这种生产方式将使美国的家具业起死回生，“能让我们的产业在这个商品世界的竞争中重获胜利”。不能认为这个预言是一种谵语，因为在当今的国际产业竞争中，鹿死谁手，最后还是取决于掌握知识和应用知识的程度，而并不是劳动力价廉或资源相对丰富的优势。

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