橢圓榫介面標準化研究與創新設計
橢圓榫介面標準化研究與創新設計?
葉雨靜1?徐 偉1?黃瓊濤2?陳昌華3?唐先良4
（1.南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037 2.宜華生活科技股份有限公司，汕頭 515834 3.江蘇柚尊家居製造有限公司，鹽城 224000 4.玉環市眾創人才科技創新服務中心，玉環 317605）
摘要：?基於現有實木傢具構件橢圓榫接合形式，對其進行了評估與創新設計。依據傢具產品的標準化原則，設計出一種「台階式」橢圓榫，並對其製造工藝及接合方式進行探究。結果表明,「台階式」橢圓榫較常規橢圓榫介面具有高加工效率及較低加工成本等優勢。
關鍵詞：?橢圓榫；標準化；榫結構；實木傢具
榫接合是實木傢具構件眾多接合方式中的一種，榫接合傢具相應構件必須開有榫頭與榫眼。橢圓榫作為直角榫的改良型，克服了直角榫榫眼壁表面粗糙以及生產效率低、工人勞動強度大等缺陷，強度與直角榫相差無幾，使用機械加工，適用於規模化生產，在現代實木傢具中使用廣泛[1-6]。實木傢具構件種類繁多，榫結構尺寸規格複雜，加工過程中頻繁調機以及識別不同尺寸榫結構，易造成返工且耗費大量生產時間，降低企業生產效率[7]。實木傢具榫介面標準化設計旨在解決榫結構種類繁多帶來的加工不便，可有效減少零部件數量多，互換性差等問題。
筆者從榫結構尺寸規格出發，在滿足產品造型需要、工藝合理性的前提下進行橢圓榫介面優化設計，提高零件的重複率，加強通用性，進而提高榫介面的標準化程度[8-9]。
1 榫介面標準化
1.1 傢具標準化
傢具標準化即依據傢具的標準，實施傢具生產、檢驗、銷售等環節[10]。傢具標準化對各類資源合理利用、節約原材料、提高產品質量、降低生產成本、提高勞動生產效率有著顯著作用。國內傢具標準化體現在原材料標準化、產品設計標準化、零部件標準化、生產環節標準化以及經營標準化五方面[11]。傢具標準化使得傢具企業能夠適應小批量、多種類的生產模式，對市場變動做出迅速的反應以適應消費需求的變化。產品設計標準化關係到整個生產甚至是銷售過程,是傢具設計標準化的源頭。產品設計的好壞決定生產過程、裝配過程是否高效便捷。
實木傢具正處於由框架結構向「部件 介面」標準化結構轉變階段。實木傢具構件的標準化，需要對榫頭榫眼的尺寸以及介面形式實行標準化和模塊化處理，而實現介面標準化是實木傢具標準化核心所在[12-14]，橢圓榫作為現代實木傢具生產中使用較為廣泛的榫接合形式，其標準化設計尤為關鍵。
1.2 榫介面標準化的必要性
榫介面分類方式多種多樣，按照榫頭與零部件關係分為整體榫、分體榫與複合榫，橢圓榫屬於整體榫的一種。相較於直角榫，橢圓榫標準化程度更高，但榫頭榫眼尺寸、刀具規格多，加工不同尺寸榫結構需多次調機，有待進一步進行優化設計，不斷提高其標準化程度，以提高生產效率，降低製造成本[15-16]。
橢圓榫標準化設計旨在改善橢圓榫局部強度富餘或不足造成木材資源浪費、出材率較低，產生安全隱患等問題。標準化設計可使橢圓榫具有多方面適應性及更高的通用性，適合不同造型構件使用。橢圓榫標準化不僅對於實木傢具標準化提升有關鍵意義，同時為家具行業榫介面的尺寸規格標準的空白提供一些參考。
2 基於現有實木傢具構件用橢圓榫的標準化介面創新設計
2.1 台階式橢圓榫頭創新設計
「台階式」橢圓榫頭由三種不同尺寸規格的橢圓榫頭「疊加組合」，形成一種統一使用的標準化台階式橢圓榫頭。不同種類實木傢具不同部件接合所需強度不同，因此「台階式」橢圓榫頭配合四種接合部位不同榫眼使用，以達到合適配合尺寸與強度要求。「台階式」橢圓榫，實現通用化的同時提高了橢圓榫對不同接合強度的適應性，提高了傢具構件榫接合的標準化程度。「台階式」橢圓榫適用於尺寸較大的T型構件，如床類傢具或部分桌椅類傢具等。
台階式橢圓榫榫頭模仿台階的形式，由「大」、「中」、「小」三種尺寸橢圓榫構成，從左至右依次遞減，分別標記為1-第一橢圓榫、2-第二橢圓榫、3-第三橢圓榫；第三橢圓榫頭設置於第二橢圓榫頭的端面、第二橢圓榫頭設置於第一橢圓榫頭的端面，第一橢圓榫頭突出並位於木料之上。第一橢圓榫頭長度寬度均為18 mm，榫頭厚度10 mm；第二橢圓榫頭長度為8 mm，榫頭寬度12 mm，榫頭厚度8 mm；第三橢圓榫頭長8 mm，榫頭寬為8 mm，厚度6 mm。以上所述橢圓榫頭由一整塊木料加工製成，三個橢圓榫頭依次相連，配合四種不同榫眼與台階型橢圓榫頭配合使用。
圖1 台階式橢圓榫頭結構示意圖
Fig.1 Stepped elliptical structure diagram
2.2 台階式橢圓榫眼匹配設計
台階式橢圓榫眼共有四種不同形式配合「台階式」橢圓榫頭，榫眼a、b、c、d（如圖2，陰影部分為榫眼）的接合方式分別為A、B、C、D。膠黏劑種類相同時，接合強度主要取決於榫頭與榫眼接合面積[17]，故四種接合方式的接合強度由高至低為A＞B＞C＞D。
圖2 四種台階式橢圓榫眼剖視圖
Fig.2 Four stepped mortise sectional view
如圖3所示，「台階式」橢圓榫頭與榫眼a接合部位為第一橢圓榫頭、第二橢圓榫頭及第三橢圓榫頭，榫眼與第一、第二、第三橢圓榫頭完全契合，接合方式A接合面積最大，強度最高；榫眼b的接合部位為第一橢圓榫頭、第二橢圓榫頭，第三橢圓榫頭不與榫眼接合，榫眼與第一、第二、橢圓榫頭完全契合，榫眼b對應接合方式B接合面積較C、D更大，強度較高；榫眼c接合部位為第一橢圓榫頭、第三橢圓榫頭，第二橢圓榫頭不與榫眼接合，榫眼與第一、第三橢圓榫頭完全契合，榫眼c對應接合方式C接合面積大於D，強度適中；榫眼d接合部位為第一橢圓榫頭，榫眼與第二、第三橢圓榫頭不產生接觸，榫眼與第一榫頭完全契合，接合方式D接合面積最小，強度最低。
圖3 A/B/C/D四種接合方式
Fig.3 Bonding method A/B/C/D
3 台階式橢圓榫製作加工方式及接合方法
實木傢具台階式橢圓榫結構製作方法[18-20], 包括以下步驟:
3.1 台階式橢圓榫頭加工
「台階式」橢圓榫加工前應確認制榫機可加工的最大榫頭長度可以滿足「台階式」橢圓榫的尺寸要求，選擇可加工最大榫頭長度大於40 mm[21-22]。調節工件位置，使用靠山固定保證加工出的工件一致，選擇一基準面將工件置於數控榫頭機上並將方料緊貼靠山，緊固夾具；選定加工程序，啟動制榫機，加工次序依次為第三橢圓榫頭、第二橢圓榫頭、第一橢圓榫頭，走刀速度依次增加；加工完畢後將榫頭取出並堆放整齊。所製備的台階式橢圓榫具體結構為台階型，最後將加工成型的台階榫頭進行修整砂光。
圖4 第三榫頭加工走刀示意圖
Fig.4 The third head processing
3.2 台階式橢圓榫眼加工
台階式橢圓榫榫眼的加工與榫頭加工流程相似。選用合適的榫眼機，調節所加工橢圓榫與刀具的距離，使用靠山固定保證加工出的工件一致，將待開榫眼的方料選擇統一基準面放置在榫槽機上，緊固夾具。榫槽加工按照與榫眼的接合方式的不同進行不同加工程序設置，榫眼a的加工分為三個階段，接合部位為榫頭第一橢圓榫、第二橢圓榫、第三橢圓榫，榫眼深度分別為18、8、8 mm；榫眼b的加工分為兩個階段，接合部位為榫頭第一橢圓榫、第二橢圓榫，榫眼深度分別為18、16 mm；榫眼c的加工分為兩個階段，接合部位為第一橢圓榫、第三橢圓榫，榫眼深度分別為26、8 mm；榫眼d的接合部位僅為第一橢圓榫，僅需加工與第一橢圓榫頭相配合尺寸的榫眼，榫眼深度為34 mm。
3.3 台階式橢圓榫接合方法
台階式橢圓榫結構接合方法，包括將橢圓榫頭與榫眼接合。構件砂光後，根據所需的接合強度選擇榫眼與台階式橢圓榫頭進行配合；對照接合部位塗布聚醋酸乙烯酯乳液膠（PVAC）,塗膠後等待80～100 s後，對準榫眼將台階式橢圓榫頭敲入，使其緊密結合，12 h左右膠黏劑固化後即完成接合。
表1 台階式橢圓榫接合部位及強度
Tab.1 Stepped elliptical joint and strength
4 結語
筆者基於實木傢具榫介面現狀的調研，針對橢圓榫尺寸不統一、不規範，榫介面強度富餘或不足等技術問題，提出了一種實木傢具「台階式」橢圓榫創新設計，並闡明其製造工藝及接合方法，解決了實木傢具橢圓榫生產過程中生產效率低下，木材資源浪費和產品質量不達標等問題，提高了出材率，為橢圓榫的尺寸規格標準化及家具行業的標準化介面設計提供了新思路。
4.1 規範化
以現代實木傢具常用橢圓榫尺寸規格為基準，進行結構再設計得出長度、寬度、厚度比例合適的榫頭，依據橢圓榫尺寸最佳比例，製成「台階式」橢圓榫，規範了實木傢具橢圓榫的尺寸。
4.2 標準化
「台階式」橢圓榫使用三種榫頭尺寸，能夠適應較高榫結構接合強度要求，提高了榫結構的適應性以及可組合性，為設計多樣化下的傢具標準化進程提供了基礎。在生產過程中橢圓榫榫頭榫眼種類減少，在產品分類儲存以及裝配方面降低了零部件的識別難度，使得傢具企業生產效率更高。
4.3 廣泛適用性
通過三個榫頭的縱向排列，解決了橢圓榫無法加工雙榫、無法用於體量較大的傢具構件等問題，並提供了多種適用於不同強度的選擇，克服了榫介面強度富餘或不足的問題，在保留原有加工方式的同時，提高了其強度的最大值並擴大了其適用性。
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