湯琳，陸蕾，關(guān)惠元

(1. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210046； 2. 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

中式傳統(tǒng)家具具有精巧的結(jié)構(gòu)，自唐宋以來，隨著我國傳統(tǒng)家具形制的增高，家具結(jié)構(gòu)逐漸從此前的實(shí)體箱板結(jié)構(gòu)發(fā)展為梁柱框架結(jié)構(gòu)，并成為此后我國傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)的主要形式[1-2]。根據(jù)設(shè)計(jì)需要在框架中嵌入整塊面板、格子或者更窄的板面來劃分空間[3]，進(jìn)而組成完整的家具。最基本的框架結(jié)構(gòu)是由兩材成角或垂直合一角，再通過榫接合構(gòu)成，形式較為多樣，常見的有攢邊格角榫、夾頭榫、格肩榫等[4]。這其中又以攢邊格角榫的使用最為普遍，常用于椅凳面、桌案面、柜門等的角部接合處，這一做法也一直保留至今，是現(xiàn)代人追求古典“時(shí)尚”的消費(fèi)要求之一。

近年來，數(shù)字化生產(chǎn)取代傳統(tǒng)手工和機(jī)械加工已是制造業(yè)發(fā)展的主流，中式家具制造也不可避免[5]。但以攢邊格角榫為代表的傳統(tǒng)榫卯，長期無法與現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)相適應(yīng)[6]；同時(shí)，市面上現(xiàn)有的改良榫卯種類繁多、良莠不齊，這些都嚴(yán)重阻礙了傳統(tǒng)家具制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。當(dāng)下，中式傳統(tǒng)家具的設(shè)計(jì)必須在消費(fèi)與生產(chǎn)之間尋找最佳平衡點(diǎn)，既要美觀安全又要價(jià)廉易加工[7]。因此，有必要對(duì)如何能“既保留中式傳統(tǒng)家具優(yōu)點(diǎn)，又使其造型和結(jié)構(gòu)更便于數(shù)字化生產(chǎn)”這一問題進(jìn)行研究。

筆者選取攢邊格角榫這一中式傳統(tǒng)家具最為常用的榫卯，基于數(shù)字化加工特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，并對(duì)改良前后的攢邊格角榫抗彎性能和加工效率逐一進(jìn)行比較，揭示攢邊格角榫的承載機(jī)理，為其更合理地應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)攢邊格角榫改良設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)攢邊格角榫結(jié)構(gòu)特征

中國傳統(tǒng)家具在材料接合處歷來傾向于使用斜接的方式[8]，最為常見的做法就是攢邊格角榫。攢邊格角榫在各類傳統(tǒng)家具中幾乎都有使用，如桌案類家具的面框、櫥柜類家具的門框處、絳環(huán)板處，甚至椅凳床榻家具中的托泥處，也多用此榫卯。桌案家具面框結(jié)構(gòu)中常用的傳統(tǒng)攢邊格角榫做法一般為在大邊和抹頭的兩端分別做出45°斜邊，邊挺處再作榫頭，抹頭處則作榫眼，這樣即可隱藏沒有紋理的木材橫斷面。同時(shí)，在功能上，攢邊格角榫45°斜接的形式又可以避免木材順紋、橫紋方向縮脹不同帶來的開裂問題[9]。因此，攢邊格角榫可以說是中式傳統(tǒng)榫卯最具代表性的符號(hào)之一，其背后蘊(yùn)含著“道法自然”的造物觀念，也傳遞著“圓和”的審美理念[10]。

比較寬的木框，有時(shí)大邊除留長榫外，還加留三角形小榫，小榫也有悶榫與明榫兩種。抹頭上鑿榫眼，一般都用透眼，邊抹合口處格角，各斜切成45°角。

1.2 傳統(tǒng)攢邊格角榫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

包括攢邊格角榫在內(nèi)的榫卯之所以成為中式傳統(tǒng)家具文化的代表，一方面是因?yàn)槠渫庥^造型的美觀性，另一個(gè)重要的方面是其擁有優(yōu)異的力學(xué)性能[11]。因此，基于數(shù)控加工工藝特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)攢邊格角榫進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，應(yīng)遵循以下三點(diǎn)：①接合點(diǎn)外觀保持不變，榫卯結(jié)合點(diǎn)的外觀線型是其重要的視覺特征，也是中式家具區(qū)別于其他風(fēng)格家具的顯著特征之一，并受到了消費(fèi)者的喜愛，因此，傳統(tǒng)攢邊格角榫45°斜角接合的外觀必須予以保留；②繼承傳統(tǒng)榫接合嚴(yán)絲合縫的精髓，傳統(tǒng)榫卯結(jié)合具有充分利用木性原理、不露端截，即可達(dá)到嚴(yán)絲合縫裝配效果的特點(diǎn)，這也是傳統(tǒng)榫接合的精髓，因此，傳統(tǒng)攢邊格角榫在改良設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該繼承這一裝配特點(diǎn)；③便于實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)的數(shù)控加工，傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)加工成本長期居高不下，歸根結(jié)底是由于其結(jié)構(gòu)并不適宜現(xiàn)代數(shù)控加工模式。因此，必須對(duì)其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改良，便于數(shù)控設(shè)備能夠進(jìn)行高效、高品質(zhì)的加工。

1.3 傳統(tǒng)攢邊格角榫結(jié)構(gòu)改造

加工方式影響相應(yīng)的接合形式，傳統(tǒng)攢邊格角榫通過手工工具進(jìn)行加工，其生產(chǎn)方式與現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備的加工方式截然不同，因此為適應(yīng)數(shù)控生產(chǎn)，攢邊格角榫的結(jié)構(gòu)必須根據(jù)數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行原理做出改變[12]。

根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)，再結(jié)合榫卯本身的結(jié)構(gòu)特性，總結(jié)了三點(diǎn)攢邊格角榫結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)的原則：①方榫需改為橢圓榫，由于數(shù)控加工所用銑刀刀柄均為圓柱形，因而在進(jìn)行挖孔、銑槽加工時(shí)，孔內(nèi)轉(zhuǎn)折處會(huì)形成與銑刀直徑大小一致的圓角；②榫眼最窄處不能小于銑刀直徑，榫孔、榫槽加工需使用銑刀來完成，因此榫孔、榫槽的最窄處不能小于銑刀直徑；③榫頭、榫眼需與45°斜邊垂直，加工榫卯的數(shù)控機(jī)床多為通用正交型機(jī)床，這就要求加工面必須與刀軸方向一致。

根據(jù)以上總結(jié)的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)攢邊格角榫進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，由于榫卯的接合強(qiáng)度與其接合面積呈正相關(guān)[13]，因而在進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良時(shí)，應(yīng)最大限度保證改良后的接合面積達(dá)到最大。攢邊格角榫的改造方案如圖1所示，共設(shè)計(jì)了A、B、C 3款改良方案，其中A方案攢邊格角榫為榫頭取最寬尺寸，B方案攢邊格角榫為榫頭長度取最長尺寸，C方案斜角榫為在原有B方案基礎(chǔ)上再加一個(gè)圓棒榫進(jìn)行輔助加固的結(jié)構(gòu)形式。改良前后的相同之處在于均保留了斜接的外觀特點(diǎn)；為了便于銑刀進(jìn)刀，將內(nèi)部榫頭長度方向由傳統(tǒng)的順紋方向變?yōu)樾奔y45°方向，即垂直于加工平面方向；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控一次加工到位，將內(nèi)部連接的方榫均改成了橢圓榫。

圖1 傳統(tǒng)攢邊格角榫結(jié)構(gòu)改造方案Fig. 1 Optimizing method of traditional corner joints

2 45°斜紋橢圓榫接合配合參數(shù)確定

由于在對(duì)傳統(tǒng)攢邊格角榫進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良之后，出現(xiàn)了與木材紋理方向呈45°斜角的橢圓榫形式，而以往多是對(duì)直紋榫卯配合量與強(qiáng)度關(guān)系的研究[14-17]，對(duì)斜紋45°橢圓榫的最佳配合參數(shù)缺少定量的研究。根據(jù)“載荷作用線方向與紋理方向的關(guān)系是影響木材強(qiáng)度的最顯著因素之一”[18]，為研究改造后的攢邊格角榫取最佳配合參數(shù)情況下的力學(xué)強(qiáng)度，必須先確定45°斜紋橢圓榫的最佳配合量。

2.1 材料與方法

櫸木為我國家具常用材料之一，在傳統(tǒng)家具中的做法與紅木家具類似，且木性穩(wěn)定[19]。供試櫸木，含水率為12%左右，氣干密度約為 0.7 g/cm3。采用聚醋酸乙烯作為膠黏劑，固體含量為50%。

試件在原力WPC 數(shù)控機(jī)床上加工完成，其加工精度為0.01 mm，加工路徑由Mastercam軟件生成并后處理。力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備為日本島津AG-X萬能材料試驗(yàn)機(jī)及自制輔助夾具。由于力學(xué)試驗(yàn)機(jī)施加載荷的方向?yàn)樨Q直方向，為了便于施加載荷，所用試件的長度方向與木材順紋方向呈45°夾角，以達(dá)到使載荷與木紋呈45°夾角的目的。材料尺寸均為200 mm×40 mm×40 mm，長度方向與木材順紋方向呈45°夾角，一根材料的一端加工出橢圓榫，另一根材料的側(cè)面加工橢圓榫眼，涂膠并組裝成T型構(gòu)件。

由于試件榫眼的寬度方向和高度方向都與材料纖維方向呈45°夾角，因此，榫眼長度與榫頭寬度方向、榫眼寬度與榫頭厚度方向均既可采用過渡也可采用過盈配合，但必須保證榫卯可正常裝配，不造成零件破壞。為避免另兩個(gè)方向的接合參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，本次試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行研究：在榫眼深度與榫頭長度方向始終采用-2 mm間隙配合條件不變，另一配合方向(榫頭厚度方向或榫頭寬度方向)采用-0.2 mm間隙配合的情況下，再分別對(duì)榫頭寬度方向或榫頭厚度方向的配合參數(shù)進(jìn)行研究。設(shè)榫頭寬度方向配合參數(shù)為a，榫頭厚度方向配合參數(shù)為b，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，將a和b分別取0.0，0.1，0.2，0.3 這4個(gè)等級(jí)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)(由于當(dāng)a=0.4 mm、b=0.4 mm時(shí)，試件裝配后會(huì)出現(xiàn)榫卯變形和破壞現(xiàn)象，因此，此配合參數(shù)不安排試驗(yàn))，試件尺寸及紋理如圖2所示。

圖2 試件尺寸及紋理Fig. 2 Sizes and textures of test-pieces

斜紋T型構(gòu)件拉伸強(qiáng)度測(cè)試加載示意圖見圖3，P表示對(duì)試件施加的靜載荷，加壓點(diǎn)在橫向構(gòu)件的下端面，垂直載荷P勻速加載，拉伸速度設(shè)定為5 mm/min，拉伸直至榫卯構(gòu)件完全脫落為止。每種條件下試驗(yàn)各重復(fù)6次。由圖3可知，當(dāng)試件長度方向與木材順紋方向呈45°夾角時(shí)，載荷方向與木紋方向間的夾角為45°，可達(dá)到斜紋裝配和斜紋受力的效果。

圖3 T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度測(cè)試方法Fig. 3 Pull-out strength test method of T-shaped component

按照家具生產(chǎn)的組裝方式，將加工好的斜紋T型構(gòu)件的榫頭榫眼以及其他接觸面均涂膠(涂膠量為150～220 g/m2)并裝配，存放7 d等待膠黏劑完全固化。

2.2 榫頭寬度和厚度方向上的配合參數(shù)

對(duì)榫頭寬度方向配合參數(shù)a取不同數(shù)值，共4組24個(gè)試件，進(jìn)行抗拔強(qiáng)度測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果先按照格拉布斯檢驗(yàn)法進(jìn)行異常值檢測(cè)，剔除異常值后，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求均值。T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖4，由圖4可知，隨著榫頭寬度方向配合參數(shù)a的增大，T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度顯著上升，并在a=0.3 mm時(shí)達(dá)到最大抗拔強(qiáng)度1 874.2 N。

圖4 不同榫頭寬度方向配合量下T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Pull-out strength test results of T-shaped component under different matching parameters in width

通過觀察榫頭寬度方向取不同配合量時(shí)斜紋T型榫的破壞情況可知：當(dāng)a=0～0.2 mm時(shí)，榫頭無明顯破壞，榫孔端面有纖維破壞的情況，這說明此時(shí)膠合強(qiáng)度大于45°的斜紋抗拉強(qiáng)度；當(dāng)a=0.3 mm時(shí)，榫眼端面發(fā)生嚴(yán)重撕裂，但榫頭并未完全被拔出榫眼，且伴隨榫眼材料沿著木紋產(chǎn)生開裂，這說明此時(shí)的接合強(qiáng)度大于材料強(qiáng)度。因此，當(dāng)榫頭寬度方向過盈量a=0.3 mm時(shí)，試件的抗拔強(qiáng)度達(dá)到最大。

對(duì)榫頭厚度方向配合參數(shù)b取不同數(shù)值，共4組24個(gè)試件，進(jìn)行抗拔強(qiáng)度測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果先按照格拉布斯檢驗(yàn)法進(jìn)行異常值檢測(cè)，剔除異常值后，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值。T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，隨著榫頭厚度方向配合參數(shù)b的增大，T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度顯著上升，但當(dāng)b從0.2 mm增加到0.3 mm時(shí)，增長幅度顯著減緩，當(dāng)b=0.3 mm時(shí)達(dá)到最大抗拔強(qiáng)度2 043.6 N。

圖5 不同榫頭厚度方向配合量下T型構(gòu)件抗拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Pull-out strength test results of T-shaped component under different matching parameters in thickness

通過觀察榫頭厚度方向取不同配合量時(shí)，斜紋T型榫的破壞情況可知：當(dāng)b=0～0.2 mm時(shí)，榫頭無明顯破壞，榫孔端口有纖維撕裂的情況，過盈量越大，纖維撕裂情況越顯著；當(dāng)b=0.3 mm時(shí)，榫眼端面發(fā)生嚴(yán)重撕裂，甚至直接發(fā)生零件斷裂，這說明此時(shí)的接合強(qiáng)度大于材料強(qiáng)度。因此，當(dāng)榫頭厚度方向過盈量b=0.3 mm時(shí)，試件的抗拔強(qiáng)度達(dá)到最大。

綜合以上兩組試驗(yàn)可以得出：當(dāng)榫頭長度方向與木材紋理方向呈45°夾角時(shí)，分別在榫頭寬度方向配合量為0.3 mm，榫頭厚度方向配合量為0.3 mm時(shí)，抗拔強(qiáng)度達(dá)到最大。

在本研究的預(yù)試驗(yàn)階段，采用相同研究方法和材料，測(cè)得的櫸木直紋橢圓榫接合最佳配合量分別為榫頭寬度方向0.3 mm、厚度方向0 mm，這與測(cè)得的斜紋45°橢圓榫最佳配合量存在顯著差異，進(jìn)一步驗(yàn)證了“木材紋理方向是影響木材強(qiáng)度的最顯著因素之一”。

3 攢邊格角榫改良前后抗彎性能對(duì)比分析

作為每個(gè)人生活必需品的家具，其安全性尤為重要，缺乏足夠強(qiáng)度與穩(wěn)定性的家具，其導(dǎo)致的后果是災(zāi)難性的[20]。要確保安全，就必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算與評(píng)估。攢邊格角榫的接合效果對(duì)家具整體強(qiáng)度的影響極為明顯，如果攢邊格角榫接合強(qiáng)度不夠，則整個(gè)家具的質(zhì)量將受到影響。

3.1 試驗(yàn)材料

為保證研究結(jié)果不受材質(zhì)影響，本次試驗(yàn)依然選用與前述一致的櫸木，其含水率、氣干密度、膠黏劑等均與前述一致。

3.2 試件制作

選用表面無明顯缺陷的木材，將材料鋸切成大小均為200 mm×40 mm×30 mm的試樣，其長度方向與木材順紋方向一致。

3.2.1 傳統(tǒng)攢邊格角榫試件制作

傳統(tǒng)攢邊格角榫試件由有經(jīng)驗(yàn)的木工通過機(jī)械和手工結(jié)合的方式制作完成。傳統(tǒng)攢邊格角榫一端為順紋理方向的直榫，另一端橫紋方向的榫眼與之配合，榫肩與榫頭呈45°夾角。

傳統(tǒng)攢邊格角榫試件的加工尺寸見圖6，均選用家具生產(chǎn)中的常見尺寸[21]，榫頭長30 mm、寬20.30 mm、厚10 mm。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)階段得到的研究結(jié)果，取榫頭寬度、厚度、長度方向配合分別為0.3，0 和-2 mm。現(xiàn)代中式加工設(shè)計(jì)中，從美觀角度考慮，較少使用透榫，因此，本研究中的改良型攢邊格角榫和傳統(tǒng)攢邊格角榫也均采用悶榫形式，方便進(jìn)行對(duì)比研究[22]。

圖6 傳統(tǒng)攢邊格角榫試件尺寸Fig. 6 Dimension of traditional corner joints specimens

3.2.2 改良攢邊格角榫試件制作

改良攢邊格角榫試件的制作設(shè)備為蘇州銓木智能科技有限公司的FAM1414S端面加工單元，加工精度0.01 mm，加工路徑由UG軟件生成并后處理。由于榫卯的抗彎性能與其接觸面積成正相關(guān)[22]，3種攢邊格角榫改良形式的接合面積均與傳統(tǒng)攢邊格角榫保持基本一致，以降低接合面積對(duì)強(qiáng)度效果的影響。

改良型攢邊格角榫試件的加工尺寸見圖7，其中，A方案中斜面橢圓榫榫頭的寬度為30.30 mm、厚度為10.30 mm、長度為10 mm；B方案中斜面橢圓榫榫頭的寬度為16.30 mm、厚度為10.30 mm、長度為15 mm；C方案中榫頭的寬度為16.30 mm、厚度為10.30 mm、長度為15 mm，另加的圓棒榫長度為30 mm、直徑為8 mm。根據(jù)2.2.3中的研究結(jié)果，取榫頭寬度、厚度、長度方向配合量分別為0.3，0.3和-2 mm。按照家具生產(chǎn)的組裝方式，將加工好的木框斜角榫的榫頭榫眼以及其他接觸面均涂膠(涂膠量為150～220 g/m2)并裝配，存放7 d等待膠黏劑完全固化。相同試件制作7組。

圖7 3種改良攢邊格角榫試件尺寸Fig. 7 Dimension of three kinds of modified corner joints specimens

3.3 儀器設(shè)備與試驗(yàn)方法

力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備仍為日本島津AG-X萬能材料試驗(yàn)機(jī)及相關(guān)自制夾具。攢邊格角榫抗彎性能測(cè)試加載方式見圖8，加壓點(diǎn)距離接合點(diǎn)頂端距離為140 mm，垂直載荷P勻速加載，速度為5 mm/min，直至斜角榫完全脫落。

圖8 攢邊格角榫抗彎性能測(cè)試方法Fig. 8 Bending perfomance test method of corner joints

3.4 抗彎性能分析

對(duì)傳統(tǒng)攢邊格角榫、3種改良攢邊格角榫各7個(gè)試件分別進(jìn)行極限抗彎測(cè)試，抗彎性能測(cè)試結(jié)果見圖9。由圖9可知：攢邊格角榫的平均極限抗壓載荷為A方案改良榫

圖9 3種改良攢邊格角榫與傳統(tǒng)攢邊格角榫抗彎性能測(cè)試結(jié)果Fig. 9 Bending performance test results of traditional corner joint and three kinds of modified corner joints

這是由于：①A方案改良榫形式由于榫頭過短，影響了抗彎性能；②B方案改良榫榫頭方向與紋理呈45°夾角，斜紋抗彎性能較直紋抗彎性能差，且榫頭過細(xì)，也影響了抗彎性能；③傳統(tǒng)榫則因?yàn)槭止ぜ庸さ脑虼嬖诔叽绾图庸べ|(zhì)量不穩(wěn)定的情況，公差配合度和膠合效果受到影響；④C方案改良榫由數(shù)控設(shè)備加工完成，尺寸精度高，又增加了圓棒榫結(jié)合，加大了接合面積，在試件受壓時(shí)，圓棒榫抵住榫孔內(nèi)部，也起到了增強(qiáng)抗彎性能的效果。

傳統(tǒng)攢邊格角榫和3種改良攢邊格角榫的受壓破壞情況見圖10。

圖10 傳統(tǒng)攢邊格角榫和3種改良攢邊格角榫受壓破壞情況Fig. 10 Destructional form of traditional corner joint and three kinds of modified corner joints

1)傳統(tǒng)攢邊格角榫：由于傳統(tǒng)攢邊格角榫的榫眼呈梯形，榫眼上端材料薄弱，榫頭材料受壓引起榫頭上翹，頂住榫眼上側(cè)內(nèi)壁，產(chǎn)生順紋剪切力，因木材順紋抗剪的能力較差，榫眼上端材料產(chǎn)生順紋方向的斷裂破壞；同時(shí)，受壓力影響，橫向榫材接合斜面的下邊緣抵住縱向卯材的下邊緣，因而接合斜面下邊緣受壓產(chǎn)生明顯的擠壓變形。

2)A方案改良攢邊格角榫：由于該方案中榫頭寬度較大，但長度較短，橫向榫材受壓，其接合斜面的下邊緣抵住縱向卯材的下邊緣產(chǎn)生彎矩，榫頭受力，首先從榫眼中滑出，且此時(shí)的力小于材料本身的抗壓和抗剪強(qiáng)度，因而榫頭榫眼并沒有發(fā)生明顯破壞。

3)B方案改良攢邊格角榫：由于該方案中榫頭較長，但寬度較小，抗壓能力較差，且榫頭長度方向與木材順紋方向呈45°夾角，斜紋抗彎能力更為薄弱，因而在受壓后，榫頭沿紋理方向直接斷裂。

4)C方案改良攢邊格角榫：該方案中既有斜紋直榫，又在斜紋直榫下側(cè)加以圓棒榫進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，接合面積是4種結(jié)構(gòu)中最大的，因而抗彎性能也是最優(yōu)的。榫材受壓后，45°斜紋的橢圓榫首先發(fā)生沿紋理方向的斷裂破壞，繼續(xù)施力，下端的圓棒榫從榫孔中被拔出。

4 攢邊格角榫改良前后加工效率對(duì)比分析

4.1 研究工具及方法

研究工具：秒表1個(gè)、記錄工序及用時(shí)的表格若干份。

研究方法：工時(shí)研究的一般方法包括直接測(cè)量法、間接推算法和累計(jì)法[23]。本研究采用直接測(cè)量法，通過現(xiàn)場(chǎng)的直接計(jì)時(shí)來確定各類型榫卯的加工用時(shí)。

4.2 加工效率對(duì)比與分析

根據(jù)力學(xué)對(duì)比分析結(jié)果，選取傳統(tǒng)攢邊格角榫和強(qiáng)度最好的C改良方案，改良前后的攢邊格角榫加工效率對(duì)比見圖11，其中，零件1、零件2分別表示帶榫頭的零件、帶榫眼的零件。由圖11可知，C方案改良攢邊格角榫的加工效率明顯高于傳統(tǒng)攢邊格角榫，總加工效率(包括上下料、機(jī)械回原點(diǎn)、加載加工程序，平均每個(gè)零件需花費(fèi)17 s)較傳統(tǒng)形式提高了475.4%，其中，改良后的零件1制作效率比傳統(tǒng)手工制作提高了410.0%，零件2的制作效率比傳統(tǒng)手工制作提高了543.1%。

圖11 傳統(tǒng)攢邊格角榫與C改良方案攢邊格角榫加工用時(shí)對(duì)比Fig. 11 The processing times comparison of traditional corner joint and modified corner joint C

此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，C方案改良攢邊格角榫由于使用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工，且其中的圓棒榫為低廉易得的標(biāo)準(zhǔn)配件，不需要額外加工，因而整個(gè)榫卯構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)一次加工成型和即刻裝配到位；而傳統(tǒng)的攢邊格角榫由于需要花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行加工定位、榫頭和榫眼配合面的修整、試組裝，且不同刀具換取也需要耗費(fèi)時(shí)間，因而加工工序多，耗時(shí)較長。

5 結(jié) 論

攢邊格角榫是框架結(jié)構(gòu)家具最為常用甚至不可缺少的榫卯類型，因而對(duì)家具整體強(qiáng)度和生產(chǎn)效率的影響極為重要?；诂F(xiàn)代數(shù)字化加工特點(diǎn)，提出便于數(shù)字化加工的攢邊格角榫優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。由于提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案均出現(xiàn)與木材紋理方向呈45°夾角的橢圓榫形式，且缺少對(duì)斜紋45°橢圓榫最佳配合參數(shù)的定量研究，因而先對(duì)45°斜紋橢圓榫的最佳配合量進(jìn)行了分析。利用手工和數(shù)字化加工技術(shù)分別加工制作傳統(tǒng)和優(yōu)化后的攢邊格角榫試件，并保證所有試件接合面積大致相同，再對(duì)所有榫型進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論。

1)在榫接合面積大致相同的情況下，各攢邊格角榫的極限抗彎載荷由弱到強(qiáng)依次為：改良方案A、改良方案B、傳統(tǒng)榫、改良方案C；A方案改良榫和B方案改良榫的極限抗彎載荷比傳統(tǒng)榫分別下降了33.9%和23.9%，強(qiáng)度不理想；C方案改良榫的極限抗彎載荷比傳統(tǒng)榫上升了38.7%，強(qiáng)度較好。

2)數(shù)字化技術(shù)加工C方案改良榫的效率較傳統(tǒng)手工制作提高了475.4%，其中，改良后的零件1用時(shí)比傳統(tǒng)手工制作提高了410.0%，零件2用時(shí)比傳統(tǒng)手工制作提高了543.1%。

我國傳統(tǒng)家具中，僅一種攢邊格角榫內(nèi)部就有多種結(jié)構(gòu)形式，適用于不同情況。本研究由于篇幅有限，僅選取了其中常見的一種形式，且提出的攢邊格角榫優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在材質(zhì)選擇上也較為單一，后期研究中可以嘗試選取五金件、塑料甚至多種材質(zhì)結(jié)合的方式來進(jìn)行榫卯優(yōu)化。但本研究提供的榫卯優(yōu)化思路，以及力學(xué)強(qiáng)度和加工效率相結(jié)合的優(yōu)化評(píng)價(jià)方式，為其他中式傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了借鑒。