胶合板侧面腻子修补机设计与应用∗

林志伟 林明山

（1.闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州 363000； 2.漳州职业技术学院机械工程学院，漳州 363000）

胶合板是由原木经旋切机旋切成单板，然后将其纵横叠放,经拼接粘合、压制、裁边等工序制造而成[1-2]。在生产过程中，因单板存在裂缝、死结、漏洞等缺陷[3]，且拼接过程易产生缝隙，因此由多层单板压制并裁边后的胶合板侧面常会出现孔洞或缝隙。孔洞直径通常为1～3 mm，缝隙长度可达8 mm。为提高胶合板的使用性能和防水性能，在砂光工序之前，通常需使用腻子修补胶合板侧面孔隙。传统的胶合板侧面腻子修补方法，是先将数十块胶合板四边堆叠整齐，借助压机压紧胶合板后，人工操作刮刀在四个侧面往复涂刮腻子。该方法消耗人力物力过多，且孔隙填补有缺漏，侧面腻子厚度大、不均匀，胶合板在砂光工序会产生较多腻子粉尘，不利于环保[4]。因此，急需该方面的新工艺及相应的自动化装备，以提高胶合板侧面腻子修补效率与质量，完善胶合板生产自动化的工业体系[5-8]。

图1 胶合板侧面腻子修补机三维图Fig. 1 Putty repair machine for plywood sides

根据多年生产经验并经数次试验，设计了一种胶合板侧面腻子自动化修补机，如图1 所示。该机器包括三个系统：1)腻子挤出系统，将料斗中的腻子挤出并附着在传送中的胶合板侧面；2)双摆动刮腻子系统，将附着于板侧面的腻子填充至孔隙中并刮除多余腻子；3)表板腻子搁挡系统，去除板侧面溢向表板边缘的腻子。在胶合板双侧沿着板材传送方向依次布置上述三个系统，完成胶合板双侧面的腻子修补。

1 腻子挤出系统设计

腻子具有易刮涂、能自干、干燥收缩率低等特点，适用于板材孔隙填塞，但因其黏性较大，且失水后易干硬堵塞管道，需较大的挤出力并保持持续推进才能满足供料需求。因此，设计合理可靠的腻子挤出系统，是保证该修补机满足生产需要的关键。图2是根据腻子特点及生产要求设计的腻子挤出系统，该系统主要包括挤出头1、延伸管2、回流装置3和出料口4。挤出头采用单螺旋推进[9]的方式将腻子挤出，回流装置用以确保腻子涂抹操作暂停和复位时腻子挤出的时效性。

图2 腻子挤出系统Fig. 2 Putty extrusion system

1.1 挤出螺杆设计

图3 腻子挤出头的主要部件为挤出螺杆。螺杆参数设计：先依据腻子微元切应力计算螺杆中径处的平均螺旋升角λm，然后结合挤出腔室的径向尺寸选定螺杆中径，最后确定螺杆的螺距H。螺杆几何参数计算公式为：

式中：D —— 螺杆外缘直径，mm；

d —— 螺杆根部直径，mm；

Dm—— 螺杆中径，mm。

取螺杆中径处腻子微元的切应力τm为计算切应力：

式中：δ ——腻子与螺杆工作表面的摩擦角,（°）；

P ——腻子的挤压应力，MPa。

腻子能顺着螺杆旋向流动的条件为：

式（3）中，τ0为腻子的极限切应力（MPa），将（2）代入（3）得：

由（4）可知，螺杆的平均螺旋升角λm若取值太小，将无法推动腻子流动。若λm取值过大，特别当λm=90°时，螺杆叶片平行于轴线，切应力方向垂直轴线，腻子仅有垂直于轴线的相互挤压，不会产生沿着轴向的挤压应力。研究表明，螺旋角在20°～25°为合适范围[10]，结合生产试验选取λm=22°。

由流量挤出公式[11]：

式中：β ——螺杆综合影响系数，取0.002；

n ——螺杆转速，取120 r/min；

Q ——挤出头腻子流量，取50 kg/h。

确定螺杆外径D =76 mm，取根部直径d=30 mm。将λm、 D和d代入式（1）计算出挤出螺杆螺距H=67 mm。

由于修补孔隙的腻子由基础料、填料和水等搅拌而成，搅拌过程中腻子内部或表面会产生气泡，导致腻子材料不均匀致密有空穴。为解决这个问题，将挤出螺杆设计成如图3 所示的两段[12-13]，前段为大螺距的送料段（H=67 mm），便于落料和送料；后段为小螺距的压缩段（H=40 mm），压缩腻子的空间，使内压变大，空穴破坏。最后，在挤出头出料口装配锥形缩口[14]，进一步提高挤出腻子的致密性。

图3 挤出头Fig. 3 Extruder

1.2 挤出螺杆转速设定

若腻子层沿螺杆切向方向的相对速度为Vr(ρ)（r≤ρ≤R），其中r、R和ρ分别表示螺杆根部半径、外缘半径和根部与外缘之间的任意半径。由于Vr(ρ)沿着径向方向从螺杆的外缘至根部非线性递减，靠近轴线最内层的腻子粘附在螺杆根部并随螺杆同步旋转，即Vr(r)=0。因此，当螺杆转速增加时，螺杆外缘处腻子切向相对速度Vr(R)也会随之增加，而螺杆根部腻子相对速度Vr(r)依然为0，腻子层之间将加快相对运动，层与层之间的摩擦加剧，形成温度梯度，最外层腻子容易干硬结块，导致腔室、出料口和管道等堵塞，造成电机过载。试验中，当螺杆转速超过150 r/min时，挤出的腻子开始形成小硬块，且挤出腻子的加速度随着螺杆转速的递增缓慢上升。

由公式（2）可知，计算切应力τm与螺杆工作表面的摩擦角δ相关，摩擦角取值由腻子的颗粒程度、含水量和成分配比等参数决定。因此，不同批次、不同搅拌程度的腻子，其计算切应力τm大小也不相同，其对应腻子能顺着螺杆旋向流动的最低螺杆转速也有所差异。

考虑上述两个因素，必须根据腻子形态和性能实时调整挤出头的螺杆转速，以保证腻子的挤出速度和胶合板的传输速度相匹配，为挤出头电机加装变频器以控制挤出螺杆的转速。在实际试验中，根据胶合板传输速度为0.3～0.5 m/s的生产条件，得出螺杆转速在100～120 r/min范围内的腻子挤出速度为最佳值。

1.3 回流装置设计

胶合板在传送带输送下持续进给，板侧面黏附出料口的腻子。由于相邻板材之间有隔断，在无板通过或者传送带暂停送板时需要暂停腻子的挤出。若使用阀门关闭挤出头出料口，螺杆的旋转将持续推进腻子，阀门内侧压力上升。当板复位时，阀门打开，过大的内压使得腻子瞬间以喷射状挤出，过多的腻子以及过大的喷射角将使腻子聚集在胶合板表面，严重影响后续工艺。若以电机启停的方法控制螺杆启停，由于腻子的粘滞性和电机启动的延迟性，将影响腻子挤出的时效性。当板复位时，无法及时将腻子挤出，胶合板的前端有部分无涂抹腻子，并且电机的反复启停也将导致其过分发热。

图4 回流装置Fig. 4 Reflow device

针对上述情况，本研究设计了图4 所示的腻子回流装置。在螺杆不停转时，借用旁路管道3 将无板材通过时挤出的腻子回流到挤出腔室内。在螺杆挤出头锥形缩口处连接橡胶延伸管2，管末端接三通T型[15-16]球阀1，通过换向电磁阀4 控制及传感器的配合完成挤出腻子的通道切换。经试验，该回流装置能够较好保证挤出腻子的时效性，腻子的复通和中断响应时间均在0.2 s范围内。

2 其他系统设计

2.1 双摆动刮腻子系统

图5 双摆动刮腻子系统Fig. 5 Double swinging putty blow system

人工修补胶合板侧面的方法是使用刮刀以一定角度紧贴侧面后，沿着板边移动刮刀，将涂抹于侧面的腻子压入孔隙的同时刮除多余腻子。图5 是模拟手工修补设计的一种双摆动刮腻子系统[17-20]。当胶合板由于设备安装误差，零件加工误差和裁边误差等因素而出现了一定程度的侧面倾斜时，该系统能保证刮片依然以一定角度紧贴胶合板侧面，随着胶合板的移动，完成板侧面腻子的孔隙填塞和多余腻子的刮除。系统中主摆块4 和次摆块6 的转动销轴互相垂直，胶合板挤压刮片7 时，推动主摆块偏摆一定角度，主弹簧5 被压缩，传递压力至次摆块6，次摆块按照板侧面的倾斜姿态自动调整摆角，刮片在主弹簧[21]的挤压下紧贴板侧面。当板规格变化时，调整升降座3 和伸缩座2 的位置，以适应不同厚度和宽度板材的侧面腻子修补。

2.2 表板腻子搁挡系统

胶合板在腻子修补过程中，由于图5 中的刮片7 和胶合板侧面紧密贴合，随着胶合板的移动，部分腻子将被挤压至表板（面板与背板）边缘。为解决这个问题，设计出如图6 所示的表板腻子搁挡系统[22-25]。该系统包括安装于胶合板双侧的对称贴合机构和对称压紧机构。图6a中的上基座2 与下基座1 上，分别安装一套上下对称的贴合机构；主摆块4 和次摆块6 的转动销轴互相垂直。随着胶合板的移动，对称刮片被顶开并分别贴合于面板与背板，主摆块产生一定摆角，压紧表板，腻子被搁挡于刮片上。图6b为对称压轮机构，解决胶合板单侧跳动或纵向翘曲时，图6a对称贴合机构刮片无法同时贴合表板的问题。刮片刃缘相对压轮的中垂线沿胶合板进给方向偏置距离S。胶合板沿图中方向进给时先顶开压轮，随后被压紧呈水平。刮片自由状态下的刃缘比压轮边缘更靠近表板，保证胶合板顶开压轮后碰触刮片，贴合刃缘。

图6 表板腻子搁挡系统Fig. 6 Outer ply putty blocking system

3 应用案例简析

根据上述结构和参数，运用CAD数字化设计及仿真模拟优化后制造出样机，并为其配置传送带、电气控制系统和相关部件，在某木业公司进行试用。表1为幅面尺寸2 440 mm ×1 220 mm，厚度规格15 mm胶合板人工修补与机器修补对比情况，应用结果表明：腻子机修补后的胶合板侧面无孔隙残留，腻子厚度均匀，最大厚度为0.2 mm，修补速度为双侧0.4 m/s。而手工修补存在20%～30%的孔隙残留，侧面腻子厚度在0.6～1.2 mm范围浮动，修补速度为单侧0.2 m/s。本研究设计的腻子修补机的修补质量优，修补速度比人工修补提升300%以上，符合企业生产自动化需求。

表1 手工修补对比机器修补Tab. 1 Comparison between manual repair and machine repair

4 结论

针对手工方式腻子修补胶合板侧面孔隙效率低、质量差等问题，设计了一种胶合板侧面腻子修补机：1）根据腻子性能和工况设计了挤出系统的螺杆参数、螺杆转速和回流装置，匹配胶合板自动化传送，实现腻子的挤出与侧面附着；2）仿照手工操作刮刀的贴合方式，设计双摆动刮腻子系统和表板腻子搁挡系统，在胶合板传送过程中完成侧面腻子的修补和表板腻子的刮除。

在木业企业应用结果表明：该胶合板侧面腻子修补机具有修补质量好，生产效率高，可移植性强，节能环保等特点，适合在生产中推广应用。