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