基于成组技术的椭圆榫接合优化

徐俊华，朱炫霖，何蕊，任海青，李军

(1.西南林业大学设计学院，昆明 650224； 2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091； 3.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

基于成组技术的椭圆榫接合优化

徐俊华1,2，朱炫霖1，何蕊1，任海青2，李军3*

(1.西南林业大学设计学院，昆明 650224； 2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091； 3.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

以椭圆榫接合为研究对象，用时间研究法测量了榫头榫眼的加工时间，比较了加工准备时间、上下料时间与铣削时间之间的关系，分析了零件的规格尺寸、榫头榫眼的大小尺寸对铣削时间的影响；从开榫机和榫眼机的加工原理出发，分析了调机方式和定位特点对榫头榫眼大小和位置的影响；针对多品种小批量的市场需求，比较了零件规格尺寸、榫头榫眼大小与位置优化前后的加工时间变化，并以成组技术为指导，推算出零件及产品在优化后所节省的经济成本。总结出优化椭圆榫接合的方法为：在保证接合强度和外观要求的前提下，榫头榫眼的尺寸规格应尽量减少，不同零件榫头(或榫眼)中心线到基准面(或基准边)的距离应尽量统一，以减少设备调整时间，提高生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。

成组技术；时间研究；榫接合；椭圆榫；家具结构；生产效率

成组技术(group technology，GT)是一门工程技术学科，通过发掘生产活动中事物之间的相似性来对事物分组，进而寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得期望的经济效益[1]。成组技术最早用于机械制造行业，随着我国家具制造业的兴起，从20世纪末开始也逐渐应用到家具领域[2]，尤其是在定制家具制造中发挥着关键作用[3]。

椭圆榫接合是现代实木家具典型榫接合方式之一，其机械加工简便、接合性能优越[4-6]，因此应用较为广泛。国内外学者大多针对不同的材料来研究榫头榫眼尺寸配合以及位置等对椭圆榫接合强度的影响[7-10]，但很少有从生产效率的角度来研究椭圆榫接合。

实木家具零部件种类繁多，尺寸规格较为复杂，但是零部件尺寸之间存在一定的相似性[11-13]，成组技术可以提高实木零部件的生产效率[14]。餐椅方料就有很高的相似度，如断面尺寸规格、榫的形状与尺寸规格等[15]。餐椅零部件的榫头和榫眼是否具有成组技术的加工属性，关键是看如何进行优化设计。因此，笔者从成组技术原理出发，优化榫头和榫眼，旨在提升其生产效率。

1 材料与方法

1.1 试验对象

某家居卖场的松木餐椅除座面和塞角外的所有零部件,其规格尺寸见表1。

表1 餐椅零件规格尺寸Table 1 Parts’ dimensions of the chair

注：此表只统计了零件的规格尺寸，未考虑榫头榫眼的大小与位置。

1.2 试验设备

马氏MDK3113B型数控制榫机、马氏MS3112卧式榫眼机，两者均为双工作台。

1.3 试验工具

卷尺、游标卡尺、秒表、观测板、铅笔、工时记录表、计算器。

1.4 试验方法

采用时间研究法，将生产时间分为3类：加工准备时间、铣削加工时间、上下料时间(包含定位时间)。测量时间用的是秒表，秒表测量时间的方法有：归零法、连续测时法。加工准备时间的测量采用归零法，铣削加工时间以及上下料时间的测量采用连续测时法。加工准备时间包括熟悉图纸以及质量标准和技术要求、检查材料或毛坯、更换刀具、调整机床或设备、首件确认、安装调整夹具等所消耗的时间[16]。铣削加工时间指刀具铣削零件的时间，常因零件种类和铣削要求不同而有所差异。上下料时间指零件铣削加工完成(开始卸载)到下一个零件装夹定位完成所消耗的时间。

以正常生产状态为测试前提条件，操作者熟悉图纸以及技术要求，所以加工准备时间主要是换刀、调机和首件确认时间。设备每调整一次，就需要进行首件确认一次。加工准备时间包括：更换榫眼机的钻头、调整钻头中心与工作台面以及零件端部的垂直距离、设置钻头左右摆动的幅度以及钻头进给的深度；调整开榫机刀轴的起点、刀轴的运动轨迹以及靠尺的位置；确认榫眼的长度、宽度和深度以及榫眼在零件长度、宽度或厚度方向的位置；确认榫头的长度、宽度和厚度尺寸、榫肩的尺寸(决定榫头的位置)、零件在榫头长度方向的尺寸等。所测得的数据利用3倍标准差法剔除异常值。

2 结果与分析

2.1 榫头分析与优化

2.1.1 加工准备时间

餐椅的望板(前后望板、左右望板)、靠背(靠背拉档)、拉档(椅腿拉档)在宽厚尺寸上相似度很高。因此选取这3类(4种)方料零件，测量了开榫机加工椭圆榫时的加工准备时间，表2为剔除异常值后的统计数据。3类零件的加工准备时间都接近于240 s，为了研究方便，开榫机的加工准备时间取240 s。根据六点定位原则[17]，假设榫头位置的加工准备时间为120 s，其中X方向的加工准备时间为60 s，Z方向的加工准备时间为60 s，Y方向因圆锯片直接精截而不用调整系统参数所以不予考虑；榫头大小的加工准备时间为120 s，假设长、宽、厚3个方向的加工准备时间均为40 s。

表2 开榫机的加工准备时间Table 2 Preparation time of tenoning machine

2.1.2 铣削加工时间

此处的铣削加工时间是指一个完整的铣削周期，除了铣刀与零件接触的时间外，还包括刀具从原点与零件接触以及加工完成回到原点的时间，整个周期无法人为控制，所以没有单独测定。由表3可见，在一定范围内，榫头的铣削时间与零件尺寸、零件体积、榫头尺寸、榫头体积以及榫头周长没有显著关系。上下料时间均小于铣削时间，这符合作业要求，可以保证铣削加工持续进行，实现设备的最高利用率。

2.1.3 榫头尺寸优化

表2和表3表明榫头的加工准备时间远远超过了铣削时间。降低加工准备时间在整个加工时间中的比例是提升榫头加工效率的关键。若榫头的规格尺寸不同，则加工时开榫机需要重新调机。利用成组技术组织生产即是将相似零件或榫头一起加工来减少调机次数。因此，提高榫头规格尺寸的标准化程度是利用成组技术的前提，是减少调机次数和加工准备时间、提升开榫效率的方法之一。

餐椅的望板(前后望板、左右望板)、靠背(靠背拉档)、拉档(椅腿拉档)在宽厚尺寸上相似度很高(表3)。其中前后望板和左右望板断面尺寸、榫头尺寸与位置完全一致，把这两种零件归为一类；望板与靠背宽度相差5 mm，三者的厚度级差为2 mm；望板与靠背榫头宽度相差5 mm以内，三者榫头厚度相同。

考虑到在优化过程中尽可能不影响椅子外观造型，所以3类零件的宽度尺寸都未调整；三者厚度级差为2 mm，所以取中间值20 mm，靠背原来厚度就是20 mm，优化的是望板和拉档，对椅子外观几乎没有影响；因椅子的榫接合为不贯通暗榫，所以调整榫头也不会影响外观，将榫头的宽度尺寸统一调整为25 mm，调整后的榫头尺寸三者是一样的。笔者根据经验认为，榫头尺寸的优化仍然可以保证椅子的结构强度。图1为优化后的零件及榫头尺寸分布，图2为优化前后的零件端面尺寸对比图。

表3 椭圆榫的加工时间表Table 3 The processing time of oval tenons

图1 餐椅零件及其榫头优化后的断面尺寸分布Fig. 1 Sectional dimensions distribution of the chair’sparts and their tenons after optimization

从图2可知，榫头尺寸优化前，3类零件榫头厚度尺寸相同而宽度尺寸均不相同，需要经过3次调机；榫头尺寸优化后，3类零件榫头尺寸均相同，关于榫头大小的调机只需1次。零件厚度尺寸统一之后，榫头中心到基准面的距离也统一了，Z方向的调机次数由3次减少到1次。

图2 零件及榫头尺寸优化前后的端面图(上图为优化前，下图为优化后)Fig. 2 The end face size of the parts and their tenons before and after optimization

图3 榫头位置图Fig. 3 Tennon position on the end face of the part

2.1.4 榫头位置优化

椭圆榫通常用数控制榫机来加工。数控制榫机通过加工台面、靠尺以及调节杆将零件定位。通过数控按钮调节铣刀的铣削起点及运动轨迹，从而确定榫头的大小及其在零件端部的位置。

零件A和B的端面见图3，两者的断面尺寸不同，左图为零件A，右图为加工完零件A后未重新调机，直接定位加工零件B，零件B的榫头在其端面所处的位置。此时零件B的榫头尺寸与零件A相同，零件B的榫头断面中心到基准面和基准边的距离(a，b)也分别与零件A相同。

根据上述加工原理，在图2榫头尺寸统一后的基础上继续对榫头位置进行优化，事实上图2对零件厚度尺寸的统一已经为榫头位置的优化奠定了基础。图4为优化后的零件端面图，优化后，望板和靠背加工时无需调整开榫机坐标参数，而加工完前两者之后，再加工拉档榫头时，则只需要调整开榫机在X轴方向的坐标位置，这大大节省了加工准备时间。

根据上述时间研究的数据，对照优化前后零件的端面尺寸图(图2、4)，将榫头优化前后以及是否运用成组技术组织生产的加工准备时间进行了统计，结果见表4。

表4结果表明，榫头优化前，按照GT原理组织生产，加工准备时间减少了60 s，减少了11%；榫头优化后，按照GT原理组织生产，加工准备时间减少了60 s，减少了17%；若正常生产，榫头优化后加工准备时间减少了200 s，减少了36%；若按照GT原理组织生产，榫头优化后与优化前相比，加工准备时间减少了200 s，减少了40%；榫头优化之后，并按照GT原理组织生产，加工准备时间减少了240 s，减少了46.4%。

优化之后，按照GT原理生产，3类零件平均每类节省时间87 s。若人工成本为30元/h，则平均每类零件节省人工成本0.72元，仅这3类零件每把椅子即可节省成本2.2元。

图4 榫头位置优化后的零件端面图Fig. 4 The end face size of the parts after their tenons’position optimized

组织方式加工顺序优化前加工准备时间/s优化后加工准备时间/s榫头大小榫头位置榫头大小榫头位置长宽厚X方向Z方向长宽厚X方向Z方向优化前后加工准备时间差/s正常生产望板40404060604040406060拉档40606060靠背40606060小计200360120240合计560360200成组生产望板40404060604040406060靠背4060拉档40606060小计200300120180合计500300200成组前后加工准备时间差/s6060260

图5 榫眼位置图Fig. 5 Mortise position on one face of part

2.2 榫眼分析与优化

2.2.1 榫眼铣削时间

椭圆榫眼是在榫眼机上加工的，榫眼的加工准备时间包括更换钻头、调整钻头摆动幅度和进给深度、零件装夹定位、首件确认等时间。用榫眼机为椅前腿、椅后腿开榫眼，测得榫眼机的加工准备时间平均为150 s，不同榫眼的铣削加工时间为5～6 s，均大于上下料时间3 s，符合作业要求，可保证设备最高利用率。零件尺寸、榫眼尺寸、榫眼体积对榫眼的铣削时间没有显著影响。因榫眼时间研究得出的规律与榫头类似，所以这里不再赘述。

2.2.2 榫眼加工原理

零件定位夹紧后，榫眼机通过钻头的摆动和进给制成榫眼。榫眼的宽度是由钻头的直径决定，榫眼的长度是由钻头左右摆动的幅度决定，榫眼的深度由钻头进给的深度决定。榫眼在Z方向的位置是由钻头中心与工作台的垂直距离决定，榫眼在X方向的位置是由调节杆端面与钻头的距离决定。

加工完零件A后，未调整榫眼机而直接加工零件B时的位置图见图5，其中零件B的厚度大于零件A，零件B的榫眼大小与零件A相同，其榫眼中心与基准面的距离也与零件A相同。需要说明的是，两幅图只是截取了零件的一部分，没有考虑零件的长度。

2.2.3 榫眼优化方法

1)榫眼大小的优化

榫眼大小优化的原则是在保证接合强度的前提下，尽量使不同零件榫眼的尺寸统一。如因零件宽度或厚度尺寸差异较大，考虑到接合强度而必须要调整榫眼尺寸，则尽量只调整榫眼长、宽、深3个方向中的一个尺寸。

2)榫眼位置的优化

榫头位于零件的端部，而榫眼一般位于零件的面或边上。榫眼在零件长度方向的位置往往差异较大，也就是说榫眼机在X方向的调机一般是不可避免的。榫眼在Z方向的位置可以在零件的宽度或厚度中线上，也可以如图5所示，不对称而偏在一边，但必须使不同零件榫眼的水平中心线到加工基准面的距离一致。

此款椅子涉及开榫眼的零件有左前腿、右前腿、左后腿、右后腿，共4种零件，其中左前腿与右前腿规格尺寸相同，左后腿与右后腿规格尺寸也相同，都沿椅子中心线成轴对称。涉及的榫眼有：前后腿之间分别与左右望板、椅腿拉档连接的榫眼；前腿之间与前后望板连接的榫眼；后腿之间分别与前后望板、靠背拉档连接的榫眼。根据2.1部分确定的榫头尺寸，上述榫眼的尺寸均相同，继续对榫眼位置进行优化，将前后腿之间分别与左右望板、椅腿拉档连接的榫眼在前后腿上的位置进行统一，使榫眼位置位于椅腿宽度或厚度尺寸中心，以减少调机次数。

3 结 论

1)就加工单个零件而言，加工准备时间远远大于榫头榫眼的铣削时间。缩小加工准备时间在整个加工时间中的比例，即增加批量是提高生产效率的关键，可以通过优化不同零件的规格尺寸以及榫头榫眼的大小与位置来实现。

2)对于常规椅类方料零件，零件的尺寸、榫头榫眼的尺寸对铣削时间没有显著影响。铣削时间大于上下料时间，符合作业要求，可实现设备的最高利用率。

3)在保证接合强度和外观要求的前提下优化榫头榫眼。榫头优化有两种方法：一是在榫头大小统一的前提下，优化零件的宽度或厚度尺寸使得榫头位置尽量统一；二是在不改变零件宽度和厚度尺寸的前提下，尽量统一榫头的大小、调整榫头位置，使得不同零件的榫头在长度方向的中心线到零件基准面(或基准边)的距离相等。榫眼的优化：尽量保证榫眼大小及位置统一，即在榫眼的长度、宽度、深度方向以及榫眼位置在零件X方向、Z方向的5个参数尽量保证较多参数统一。

4)按照GT原理组织生产，可以减少调机次数，节省加工准备时间，提升生产效率，降低生产成本。

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Optimizationofovalmortiseandtenonjointbasedongrouptechnology

XU Junhua1,2, ZHU Xuanlin1, HE Rui1, REN Haiqing2, LI Jun3*

(1. School of Design, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 3. College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Oval mortise and tenon joint is widely applied in solid wood furniture due to its advantage on mechanized production. In order to improve the production efficiency and cut down the costs, the processing time of the mortise and tenon was measured based on time study method. The time for preparation as well as the time of loading and unloading with the time for milling were compared respectively. The effects of the dimensions of the parts and the mortise and tenon on milling time were also analyzed. Based on the fundamental principles of mortiser and tenoner machines, the impacts of the adjustment methods and positioning characteristics of the machines upon dimensions and positions of the mortises and tenons were explored. To meet the furniture market demands for products with multi-type amp; small batch, the processing time before and after optimization in aspects of the dimensions of parts, the dimensions and positions of mortises and tenons were compared under the guidance of group technology. Moreover, the economic cost saved in the optimization of the products and their parts was calculated. The aim of optimizing the oval mortise and tenon joint is to reduce the equipment adjustment time, improve the production efficiency, shorten the production cycle and reduce production costs. The methods of optimization are as follows: the dimensions of the mortise and tenon should be minimized without affecting the strength and appearance of products. The distances between the center line of the tenon or mortise and the reference plane or edge in different parts should be kept unification as far as possible.

group technology (GT); time study; mortise and tenon joint; oval tenon; furniture structure; productivity

2017-03-20

2017-07-20

云南省哲学社科艺术科学规划项目(A2016QNS020)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201610677010)。

徐俊华，男，讲师，研究方向为木制品制造与木结构工程。

李军，男，教授。E-mail:xu_junhua@163.com

TS633；TS657

A

2096-1359(2017)06-0144-06