木工五轴设备在家具加工中的研究及应用 ——以茶几底座为例 张浩1,2， 李鑫2， 张瑞华

admin

木工五轴设备在家具加工中的研究及应用 ——以茶几底座为例
张浩1,2， 李鑫2， 张瑞华1

【作者机构】        1仲恺农业工程学院； 2东莞市新法拉数控设备有限公司

摘 要：针对意式轻奢风格岩板茶几渐变曲面底座的造型需求,以该底座为研究载体,系统开展木工五轴设备的加工技术研究与应用验证。通过剖析底座加工的核心难点,提出靶向技术方案。相较于传统手工加工,加工精度得到提升,加工效率得到提高,废品率得到降低,且定制化规格切换耗时减少。研究明确了木工五轴设备在家具复杂构件加工中的技术适配路径,为高端家具机械化、柔性化生产提供了技术支撑与实践参考。

关键词：茶几;木工五轴设备;加工;家具

[size=1em]随着家具制造业向高端化、定制化转型,复杂曲面、精密纹理类家具构件的加工需求日益增长[1]。茶几作为家居核心产品,其底座结构已从传统规整形态向渐变曲面、周向微纹理的复合结构演进,尤其是意式轻奢岩板茶几底座,需同时满足装配间隙、表面粗糙度、纹理间距偏差的要求。当前家具加工领域,传统手工加工与三轴、四轴设备存在显著技术瓶颈:手工加工依赖经验,精度离散且效率低下;三轴设备运动自由度不足,需多次装夹导致累积误差超标;四轴设备无法解决多曲面空间姿态适配问题[2]。

[size=1em]木工五轴设备凭借“一次装夹多工序集成”和“刀具空间姿态灵活可调”的核心优势,成为破解复杂家具构件加工难题的关键技术装备。近年来,国内外学者围绕五轴加工技术展开研究:探讨了定制家具复杂构件的五轴加工技术路径,分析了家具制造业智能制造技术发展现状,但针对木工五轴设备在茶几底座等具体家具构件加工中的难点深化与应用验证研究仍显不足。本文以岩板茶几底座为典型案例,系统开展木工五轴设备的加工技术研究与应用实践,旨在为高端家具复杂构件的精密加工提供可行方案,推动木工五轴设备在家具制造业的广泛应用。

1 木工五轴设备在家具加工中的应用1.1 传统加工工艺的技术瓶颈

[size=1em](1)手工加工模式:加工质量完全依赖操作人员的技能熟练度与经验积累,存在三大核心缺陷:①加工精度离散性显著,底座直径尺寸偏差最大可达±10 mm,曲面轮廓度误差超过2 mm,无法满足高端家具的精密装配技术要求;②生产效率处于极低水平,单件底座的加工周期长达4.5 h,其中 2 h雕刻作业、2.5 h打磨处理,单日产能仅为4 件,难以适配规模化生产需求;③批量加工一致性缺失,纹理错位发生率超过20%,同一批次产品的外观质感差异明显,严重影响品牌市场的口碑。

[size=1em](2)三轴木工设备加工:仅具备 X/Y/Z 三个直线运动自由度,加工渐变曲面构件时需进行多次装夹定位操作,不仅造成装夹累积误差超过0.3 mm,还存在工序衔接耗时过长的问题;同时,该类设备无法实现刀具与曲面法向的实时贴合控制,切削过程中易产生过切、欠切等加工缺陷,尤其在处理非规则渐变柱体结构时,加工质量稳定性难以保障。

[size=1em](3)四轴木工设备加工:仅在三轴设备基础上增加一个旋转运动轴,仍无法解决多曲面构件的空间姿态适配问题,对于“上窄下宽”的渐变式底座结构,仍需分阶段、分工序加工,工序间等待时间占比超过30%,且难以同步保障曲面加工精度与纹理一致性要求。

1.2 木工五轴技术优势

[size=1em]相较于传统加工设备与工艺,木工五轴设备在家具加工中的优势体现在四个维度:

[size=1em](1)工艺集成性:一次装夹即可完成粗铣、半精铣、精铣、纹理成型等全工序加工,彻底消除多次装夹带来的累积误差,加工精度稳定控制在±0.1 mm 内。

[size=1em](2)空间适配性:通过 A/C 轴协同联动,可实时调整刀具姿态,确保切削刃始终贴合曲面法向,避免干涉的同时实现切削力均匀分布,降低脆性材料加工缺陷率。

[size=1em](3)柔性扩展性:支持参数化程序调整,针对不同尺寸、曲面角度、纹理样式的家具构件,仅需修改 CAM 程序参数(耗时<1 h),无需重新制作工装样板。

[size=1em](4)成本增益性:大幅缩短加工周期,降低废品率与人工成本,综合生产成本较传统工艺降低40% 以上。

1.3 木工五轴设备典型适配场景

[size=1em]木工五轴设备尤其适用于三类家具加工场景:复杂曲面构件,如实木弯曲茶几腿、渐变曲面沙发扶手;精密纹理构件,如周向微纹理茶几底座、浮雕装饰门板;定制化构件,如多规格榫卯结构、异形拼接家具部件,可完美适配“多品种、小批量”的定制生产模式。

2 木工五轴加工的技术难点研究

[size=1em]岩板茶几底座采用“高密度实木复合板渐变柱体 + 周向微纹理”结构,其五轴加工难点需从几何约束、材料特性、工艺耦合三个维度深化研究。

2.1 几何约束难点

[size=1em]底座曲面由不同曲率的B样条曲线平滑衔接形成变曲率旋转面,无固定数学解析表达式,加工需突破三重瓶颈:

[size=1em](1)曲面离散精度:需通过UG_CAM 软件将曲面离散为1.2×104个空间采样点,采用高精度曲线拟合技术生成连续加工路径,插补周期控制在0.1 ms内,否则曲面拟合误差超0.05 mm,出现“台阶状”缺陷。

[size=1em](2)奇异点规避难题:加工过程中刀轴与旋转轴可能出现重合状态,形成奇异点,该区域易发生进给速度突变、机床振动,导致曲面粗糙度骤升,需通过路径重规划或局部坐标系偏移技术专门规避[3]。

[size=1em](3)装夹几何干涉风险:底座渐变曲面与夹具的接触点随加工进程动态变化,若装夹方案未考虑刀具运动轨迹,易出现夹具与刀具、工件的几何干涉,导致加工路径被迫中断或局部特征加工缺失。

2.2 材料特性难点

[size=1em]高密度实木复合板的脆性切削适配,该材料兼具高硬度(HBW85)与高脆性(断裂韧性0.8 MPa·m1/2),切削过程易出现崩边、分层、炭化问题。

[size=1em](1)切削力波动:切削力范围达 50～200 N,力突变会直接导致崩边,需实时动态调整进给速度,抑制波动[2]。

[size=1em](2)刀具匹配:需选用金刚石涂层立铣刀,且刃口半径≤0.01 mm,否则纹理边缘毛刺超0.1 mm。

[size=1em](3)热损伤控制:切削区温度超80 ℃会导致材料炭化,需采用吹气风冷等冷却方式,确保温度稳定在60～70 ℃。

2.3 工艺耦合难点

[size=1em]微纹理与曲面轮廓的精度协同,底座曲面轮廓与微纹理加工相互耦合,任一环节失控都会影响整体质量。

[size=1em](1)纹理深度适配:曲面曲率不同导致刀具接触面积差异,需建立曲率-纹理深度适配模型,避免凹陷或质感不足[4]。

[size=1em](2)分度误差累积:360°周向分布200道纹理,C轴单次分度误差±0.005°,累积误差易超0.05°,导致纹理首尾衔接偏差超0.2 mm。

[size=1em](3)余量分配:粗铣余量需按曲率梯度分配(曲率大区域0.3 mm,曲率小区域0.5 mm),避免精铣切削力波动过大。

3 木工五轴加工的靶向解决方案

[size=1em]以茶几底座加工为例,针对上述技术难点,结合XFL-1325木工五轴设备性能,制定“难点-方案-验证”闭环解决方案,如表1所示。

[size=0.8em]表1 解决方案表

4 应用案例验证4.1 加工效果

[size=1em]利用UG_NX软件进行CAM编程,先对其模拟仿真,如图1所示;再将其用木工五轴设备加工出来,如图2所示;最终成品完成如图3所示。

[size=0.8em]图1 仿真加工

[size=0.8em]图2 五轴加工现场

[size=0.8em]图3 岩板茶几

4.2 与传统工艺的性能对比

[size=1em]与传统工艺的性能对比,木工五轴设备在加工茶几渐变曲面底座上的性能如表2所示。

[size=0.8em]表2 性能对比表

5 结语

[size=1em]木工五轴设备凭借工艺集成性、空间适配性、柔性扩展性与成本增益性,在家具复杂构件加工中具有不可替代的优势。以岩板茶几底座为案例的研究与应用表明:相较于传统工艺,五轴加工精度提升25倍,效率提高60%,废品率降至1%以下,且能快速适配定制化生产。该技术方案为高端家具复杂结构件的精密加工提供了可行技术路径,未来可进一步集成机器视觉在线检测技术,实现加工质量的实时反馈与参数自适应调整,持续提升加工智能化水平。

[size=1em]参考文献：

[size=1em][1] 张占宽,李黎.定制家具复杂构件的五轴加工技术研究[J].林业机械与木工设备,2023,51(8):12-17.

[size=1em][2] 吴智慧,刘焕荣.家具制造业智能制造技术发展现状[J].木材工业,2022,36(3):45-49.

[size=1em][3] 王洪军.数控加工中心宏程序高级应用技巧[M].北京:机械工业出版社,2022.

[size=1em][4] 周橙旻,李黎.五轴加工在定制家具中的应用效益分析[J].家具,2023,44(2):1-6.

Research and Application of Five-Axis Woodworking Equipment in Furniture Processing
[size=0.8em]——Taking the Base of a Coffee Table as an Example

[size=1em]ZHANG Hao1.2,LI Xin2,ZHANG Rui-hua1*

[size=1em](1.Zhongkai University of Agriculture and Engineering,Guangzhou Guangdong 510225,China;2.Dongguan Xinfa La CNC Equipment Co.,Ltd.,Dongguan Guangdong 523170,China)

[size=1em]Abstract：Aiming at the modeling requirements of the gradient curved surface base of the Italian-style light luxury sintered stone slab coffee table,taking this base as the research carrier,a systematic study and application verification of the processing technology of five-axis woodworking equipment was carried out.By analyzing the core difficulties in the processing of the base,targeted technical solutions were proposed.Compared with traditional manual processing,the processing accuracy was improved,the processing efficiency was increased,the scrap rate was reduced,and the time for switching customized specifications was shortened.The research clarified the technical adaptation path of five-axis woodworking equipment in the processing of complex furniture components,providing technical support and practical reference for the manufacturing and flexible production of high-end furniture.

[size=1em]Key words：coffee table; five-axis woodworking equipment; processing; furniture

[size=1em]中图分类号：S777

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2026)04-0030-04

[size=1em]收稿日期：2025-12-05

[size=1em]第一作者简介：张浩,工程师,硕士研究生,主要从事机械工艺与精密制造的研究,E-mail:591233010@qq.com。

[size=1em]*通讯作者：张瑞华,教授,博士,主要从事农业工程与农业机械的研究,E-mail:13260078@qq.com。