目前,在木工行业中,已经有不少企业开发并使用CNC数控加工中心,实现了生产线的自动化生产,并减少了生产和加工过程中许多辅助模具与夹具,降低了用工成本,且获得了高额的利润。因此,CNC数控机床(计算机数字控制机床)对于木工行业的优势是显而易见的。
首先,CNC数控机床不同于传统的机床。可以提高加工过程中的灵活性,也避免了置换与调节频繁等问题。其次,由于木材的特性比较复杂,因此,CNC数控技术的应用变得更有必要。例如木材各向异性(亦称不均匀性),所以从各方面的角度切削时会受到不同的阻力,这会造成切削表面质量差异大。同时,木材本身容易吸水,含水率不同 ,所以切削加工性能也不同。另一方面,在木材加工的过程中,要求机床转速大,所以噪声也很大,而CNC数控木工机床则采用了加工过程仿真与试验相结合的方法,可以研究出不同的切削参数对切削力、切削振动、噪声和加工质量的影响规律,这样就避免了因为木材的特性不一所造成的木材加工质量差距。最明显的一点是,CNC数控机床装有数控装置和自动送料装置,以数控系统控制不同车刀多轴方向上的运行轨迹,技术人员只需要将产品的形状和尺寸等参数输入数控系统中,数控机床便能够根据这些参数并调用工艺数据库进行编程,生成数控程序进行生产加工,大幅度提高生产率。
尽管数控加工技术的应用已经为木工企业带来许多优势,但是还可以在很多方面进一步提升。
首先应当实现工艺复合性及多轴化。许多数控机床设置刀具在X,Y,X三个方向上的运动轨迹,让木工车床能够加工生产自动化。但如果能够让工件在一台机床上经过一次装夹后,通过旋转主轴头、自动换刀或转台等各种措施,完成多表面、多工序的复合加工,将进一步提高生产效率。其次,可以实现数控机床的高速化与高效化,通过采用高度集成化的RISC、CPU 芯片和大规模可编程集成电路EPLD、FPGA、CPLD 及专用集成电路ASIC芯片,可以提高软硬件运行速度和数控系统的集成度。同时,采取改善机床静态、动态特性等有效措施,也将能够大幅度地提高机床的性能。
目前,数控技术的发展现状已经由专用型封闭式开环控制模式,转向通用型开放式实时动态全闭环控制模式。通用型开放式实时动态全闭环控制模式在加工过程的变量,不需要根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前可以通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间都具备反馈控制环节,整个制造过程中CNC不再只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变的运行条件下,在加工过程中的刀具组合与轨迹、工件材料、主轴转速、进给速率、切削深度、步长、加工余量等加工参数,可以在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,并通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量。由此可见,如果使用传统CNC 系统的固定程序控制模式和封闭式体系结构,将会限制CNC 向多变量智能化控制发展,并且会不适应日益复杂的制造过程,数控模式的转型提升了 CNC 的工作效率和产品加工质量。因此,数控技术的变革也势在必行。
此外,在航空航天产品中已经应用了高速数控切削加工技术,因为这类产品的整体结构件十分复杂。但是将此类技术应用于木工行业的加工生产中也同样重要。根据相关数据显示,相对于传统切削加工,应用具有高转速、高进给、小切削负荷等特点的高速数控切削加工技术可以减少60%至80%的加工时间,提升5至10倍的进给速度,材料的去除率也可以提高3 至5倍,刀具耐用度增加70%,并将切削力降低30%以上。所以在木工机械领域中尽可能实现高速数控机床与高速切削技术将是必然趋势。
现阶段有部分企业会因为数控机床的价格太高对它望而却步,宁可选择大批量的传统机床进行生产加工。但传统机床由于本身缺乏智能性,需要相关的技术人员操作,而且一般一人只能操作一台机器,同样花费大量的生产成本。而使用数控加工机床,一人可操作多台机器,由于设备本身的智能性,只需要普通的工人就可以操作。另一方面,由于木质原材料的资源紧缺,获取原材料的成本也很高昂。在对零部件的实际切削前,可以在其数控过程中运用力学特性仿真,预知切削过程的刀具运动轨迹、验证数控程序、了解刀具与机床及工件是否存在干涉和碰撞等,从而获得不同切削参数条件下的动态切削力、切削温度变化、刀具和工件的变形与振动状态、颤振稳定域和已加工表面的形貌等,为切削参数和刀具的选择和优化提供可靠依据,在实际切削的过程中,就可以确保最终产品的质量,避免原材料浪费。
CNC数控技术在这些年来已经取得了很大的进步,尤其是在智能化的基础上,实现了高速度与高精度,并能够在加工过程中及时自动修正各项参数,随时在线处理故障。随着网络的发展,将CAD/CAM 与数控系统集成为一体,让机床联网,只需在中央集中操作控制,便可以实现多台机器同时生产。今后,如果将数控技术往智能化、网络化、高速化、高精度、复合化、定制化和环保化的方向发展,并更广泛地应用于木工行业,不仅可以全面提升产品质量,为企业带来利润,更能快速地实现家具行业的转型升级。