木工中的真空——第 1 部分

木工行業中普遍使用真空技術。使用真空的可能性非常廣泛。 但是，對許多木材加工商和木工來講，真空主題往往是一個不熟悉的話題，甚至是一個不自在的話題。我們希望在本期和接下來的三期中分享一些實用資訊，解釋不同類型的真空產生及其優缺點，最重要的是，強調經濟效益問題。今天，我們將從一些關於真空主題的基本想法開始。

真空——它到底是什麼？

在木工中，真空主要用於：


在木材加工中，真空用於：

夾持和舉升木質部件

真空最常用於數控雕刻機和其他加工設備上的真空夾緊。進行此操作時，真空的保持力用於在木工過程中快速、牢固地固定多種面板材料或實木零件，而不留下壓痕。運輸設備和裝配機器人也經常利用真空獲得保持力。
從純粹物理角度，真空（也稱為負壓）是指壓力低於大氣壓力的壓力範圍。海平面的大氣壓力為 1,013 毫巴 (mbar)，但隨著海拔高度的增加而不斷降低（圖 1）。天氣狀況也會影響大氣壓力。在真空技術背景下，我們透過將大氣壓力或環境壓力四捨五入到 1,000 mbar 來簡化計算。低於 1,000 mbar 的壓力稱為真空或負壓。

最常見的真空壓力單位是毫巴 (mbar)，但根據規範，壓力範圍應以帕斯卡 (Pa) 表示。在真空技術中，我們假設的絕對壓力理論上從 0 mbar 開始，到 1,000 mbar（= 大氣壓力）結束。特別是木工行業仍然經常使用巴、負巴 (-bar) 或以百分比 (%) 表示的壓力規格（圖 2）。

真空夾緊時的力

夾緊的工件能否保持？真空是否足夠，或真空泵浦效能是否足夠強大？這些是每個人都問過的問題——最遲當旋壓工具接近夾緊的工件時。 從純粹的理論角度來看，夾緊過程中，透過抽氣並產生真空，工件與加工台、支撐面或吸盤之間的壓力降低。現在大氣壓力更高，將工件壓到加工台上，從而將其「夾緊」。物理壓力被定義為影響特定面積的力。因此，壓力是力和面積的函數（圖 3）。

實際上，這意味著：支撐的工件越大，保持力就越大。這一點最好藉助一個範例來解釋：
一塊實木板被放置在數控雕刻機網格桌上進行加工，並以匹配木板尺寸的橡膠密封件進行密封（圖 4）。真空泵浦抽出密封區域內木板和網格桌之間的空氣。

計算： 大氣壓力： 1,000 mbar 真空泵浦負壓（工作壓力）： 200 mbar 木板尺寸： 1,000 x 500 mm

壓差： 1,000 mbar – 200 mbar = 800 mbar = 80,000 Pa [N/m²]

支撐面 = 夾緊面 1,000 x 500 mm = 500,000 mm² = 0.5 m²

保持力 F = p x A F = 80,000 N/m² x 0.5 m² =
40,000 N = 4,000 kg

這意味著表面積為 0.5 m² 的實木板被真空吸持，保持力為 40,000 N，理論上相當於以 4 公噸重量將木板壓在加工台上。如果在相同條件下，夾緊一塊 150 x 150 mm 的實木板，則保持力為 F = 80,000 N/m² x 0.0225 m² = 1,800 N = 180 kg。
現在的問題是，真空的垂直保持力必須有多大才能牢固夾緊工件。範例計算表明，相較於較小的木質部件或透氣或表面不平整導致洩漏的材料，對大表面積面板材料的保持力的評估較不嚴格。實際上，必要的保持力很難確定，因為必須考慮不同的因素，如操作或夾緊因素、切削和進給速度及方向、材料和摩擦阻力，因此通常使用經驗法則。

真空夾緊的多種可能性

三種可能的真空夾緊程序之間存在本質差異：

真空技術參數

原則上，在選擇最適合的真空技術時，需要考慮三個參數。

極限壓力

極限壓力表示真空泵浦可能達到的最高真空度，或最低負壓。

抽氣速率

這是指真空泵浦在一定時間內可以抽出的空氣量。抽氣速率受真空泵浦的幾何形狀（容積）及其速度的影響。抽氣速率越高，空氣被抽出的速度就越快，並達到極限壓力。高抽氣速率有助於補償洩漏，例如使用嵌套方法時。

功耗

機械真空泵浦通常由電動馬達驅動。根據結構原理和效率因子，真空泵浦會消耗不同量的能源。 為了達到盡可能高的能效，必須選擇一款在極限壓力和抽氣速率方面具備必要效能，同時需能量盡可能低的真空泵浦。

這三個參數相互依存。首先，隨著真空泵浦接近達到極限壓力，抽氣速率會降低（圖 4）。其次，真空泵浦在某個工作點需能量最低。對非專業人士而言，完美設計真空產生非常困難，因此我們始終推薦諮詢真空專家。

在「木工中的真空」系列的第二部分中，我們將深入探討不同類型的真空產生。