(來源:《工業(yè)技術(shù)》)

木質(zhì)材料是一類包括木材和以木材(或其廢料)為主要原料,經(jīng)過機械加工磨豁、物理化學(xué)處理而得到的具有木材基本特性和主要組分的材料垒玲。木材唱歧、改性木材朦乏、木質(zhì)人造材料和木質(zhì)復(fù)合材料都屬于木質(zhì)材料球及。用于加工木質(zhì)材料的刀具統(tǒng)稱為木工刀具,其特點是要求在高速并且承受沖擊載荷的切削條件下,長時間保持刀具切削刃的鋒利,不僅要具有較好的硬度和耐磨性,還要有足夠的強度和韌性。由于木質(zhì)材料性質(zhì)的特殊性,切削必須要考慮樹種罗炸、密度化歪、含水率、木材紋理么歹、纖維方向等因素,這也使得木工刀具的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計都有較強的針對性敛档。我國雖然是人造板生產(chǎn)、家具生產(chǎn)和木工機械生產(chǎn)大國,但木工刀具制造業(yè)相對比較薄弱,耐用度高橱序、加工質(zhì)量好唠延、適合于目前高速加工趨勢的高性能木工刀具仍很緊缺,很大一部分市場份額被外資產(chǎn)品占有炭答。因此了解和掌握目前木質(zhì)材料加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,有助于我們清楚認識木質(zhì)材料材質(zhì)特點及其加工特性和木工刀具結(jié)構(gòu)的特點,對提高我國對木工刀具的重視并進一步對其進行研究和開發(fā),提高我國木質(zhì)材料切削加工技術(shù)水平和加工效率,縮短我國與國際發(fā)達國家之間在這一領(lǐng)域的差距有重要意義疫橘。

1.木質(zhì)材料及其加工特點

1.1 木質(zhì)材料的分類

通常意義的木材是指樹木的樹干部分,又稱原木或?qū)嵞?是由纖維素、半纖維素和木素等組成的天然有機高分子材料,它天然生成,紋理自然匾颁、色澤質(zhì)感親切,比強度大癌玩、易于加工,隔熱、隔音性好,是家具中不可或缺的材料。木質(zhì)人造材料包括人造板材污益、人造方材和成型材料桃熄。木質(zhì)復(fù)合材料包括木材塑料、塑化碎料板和木質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)板等型奥。由于木材資源的緊缺瞳收、人類環(huán)保意識的增強以及制造技術(shù)的進步,近十年來,世界木質(zhì)人造材料和木質(zhì)復(fù)合材料特別是人造板工業(yè)發(fā)展迅猛。常用人造板包括:膠合板厢汹、刨花板和纖維板(低密度螟深、中密度、高密度)烫葬。表1列出了其中幾種典型人造板的類型界弧、用途分類和加工性能。

表1典型的人造板材料

人造板類型-材料組成-表面質(zhì)量-邊部加工性能-用途分類-典型用途-專門用途

針葉樹材膠合板-針葉樹材單板-砂光后表面光滑-較差-結(jié)構(gòu)用-屋頂板搭综、地板垢箕、墻面板-單板層積材(LVL)、混凝土模板兑巾、船舶膠合板

闊葉樹材膠合板-闊葉樹材單板条获、人造板芯板-砂光后表面光滑-較差-多為非結(jié)構(gòu)用-墻面裝飾板、家具闪朱、細木工-裝飾地板

定向刨花板(OSB)-12×150mm刨花(多為楊木)-砂光后表面光滑-差-結(jié)構(gòu)用-屋頂板螟衍、地板、墻面板冕泡、地板襯板-工字梁

刨花板-刨花長度<6mm佩捎；麥秸-用細刨花時表面很光滑-良好-多為非結(jié)構(gòu)用-家具、細木工刑评、地板襯板哑辐、樓梯踏板-無

中密度纖維板(MDF)-木材纖維,纖維束,秸稈-表面非常光滑-很好-非結(jié)構(gòu)用-家具、細木工且恼、裝飾線條-無

1.2 木材的加工特點

國內(nèi)外對木材加工性能的研究已經(jīng)比較成熟妹髓。木材與金屬性質(zhì)不同,它是一種典型的具有非均質(zhì)性和異向性的材料,它的切削特點主要有:

(1)木材材料性質(zhì)和強度因方向各異,切削時作用于木材纖維方向的夾角不同,木材的應(yīng)力和破壞載荷也就不同,因而產(chǎn)生的切屑形態(tài)和工件表面質(zhì)量也不同。例如順紋切削時,材料超前劈裂發(fā)生在刃口斜上方,易于彎曲折斷,切削表面良好捉寻；逆紋切削時,材料超前劈裂發(fā)生在刃口斜下方,不易折斷,切削表面較差姜筋。由于木材的非均質(zhì)性和異向性,切削方向不同需要不同結(jié)構(gòu)的刀具。

(2)木材硬度不高,機械強度極限較低,分離性好硼洁。

(3)耐熱能力較差,加工時不能超過其焦化溫度(110～120℃)伯板。

(4)適于高速切削:木材切削速度一般在40～70m/s,最高可達120m/s,一般切削刀軸的轉(zhuǎn)速在3000～12000r/min,最高可達20000r/min。高速切削使切屑來不及沿纖維方向劈裂就被切刀切掉,可以獲得較高的幾何精度和表面粗糙度欢策。

(5)影響木材切削性能的因素很多,不同樹種材料的物理力學(xué)性質(zhì)不同,樹種吆寨、密度赏淌、含水率、木材紋理啄清、纖維方向六水、年輪、溫度辣卒、力學(xué)強度等,都可能會產(chǎn)生不同的切削動力消耗,或發(fā)生毛刺等加工缺陷掷贾。例如文獻[3]通過銑削方式研究木材早材和晚材間過渡區(qū)域和材料密度對切削力的影響；文獻[4]通過不同木材的微觀結(jié)構(gòu)荣茫、木材密度研究對刀具磨損的影響,分析表明木材石英含量和木材密度與刀具磨損沒有明顯的線性關(guān)系,指出不能單獨用石英含量和大小以及密度來解釋切削刃磨損率情況胯盯。

1.3 木質(zhì)人造材料的加工特點

木質(zhì)人造材料種類繁多,又涉及諸多影響因素,為對其進行系統(tǒng)研究帶來一定難度。目前還沒有這方面的系統(tǒng)深入研究報道计露。由于這些材料多以木材為主要原料,切削成不同形狀博脑、大小的構(gòu)成單元,再添加膠粘劑等制作而成,因此,木材的非均質(zhì)性和異向性對這些材料的切削性能仍然有很大影響。國內(nèi)外對其研究主要歸結(jié)為兩點:

(1)環(huán)境等其他條件對材料性能的影響票罐。文獻[5,6]研究了不同相對濕度(65%RH和85%RH)環(huán)境下中密度纖維板叉趣、定向刨花板和刨花板這三種材料的靜力強度、硬度颖喧、疲勞壽命和蠕變的不同,結(jié)果顯示,MDF的靜力強度最大,刨花板最小,并且65%RH下三種材料的靜力強度都比85%RH下的大洒漱。另外,由于MDF的纖維比刨花尺寸小,即其材質(zhì)均勻性更好,所以較高的相對濕度對OSB和刨花板的彈性模量和疲勞壽命造成地不利影響比對MDF的影響更明顯；

(2)材料性能對切削力铅坚、刀具磨損和加工質(zhì)量的影響赃夷。例如,文獻[7]對MDF切削力進行了試驗,研究MDF切削力的影響因素并提出切削力計算的經(jīng)驗公式；人造板的含水率兰斑、密度與切削性能有很大關(guān)系,文獻[8]通過一系列切削試驗,測量切削力和表面粗糙度,研究刀具的磨損笤卡。

用銷孔鉆對MDF的鉆削試驗研究表明:影響鉆削的因素主要有進給量,轉(zhuǎn)速和切削速度等。軸向方向切削力最大,隨著切削速度的增加,切削力增大,當(dāng)切削速度達到60m/min時,切削力開始減小修暑。MDF鉆削切屑為細小粉末,其出口和入口質(zhì)量隨著鉆孔數(shù)的增加而變差,但孔徑變化很小,在鉆孔17400個后,孔徑仍未超出加工偏差询时。

2.木質(zhì)材料加工鉆頭和銑刀的結(jié)構(gòu)特點

2.1 木質(zhì)材料加工刀具基本結(jié)構(gòu)特點

(1)如前所述,木質(zhì)材料的切削方向不同時需要不同結(jié)構(gòu)的刀具。例如,木材的鉆削分為橫向鉆削和縱向鉆削奥唯。橫向鉆削要采用鋒角180°(鉆頭兩條切削刃之間的夾角)捷夜、具有沉割刀的鉆頭,其中沉割刀用于在主刃參與切削前先切斷木材纖維以保證孔壁的質(zhì)量。而縱向鉆削時采用錐形(即鋒角小于180°)鉆頭商贾。

(2)刀具楔角(前刀面與后刀面的夾角)小:木材強度比金屬小得多,因此,其切削過程中,由于切削力的作用,木材首先發(fā)生變形,然后分離并排除切屑,切削的分離力所占的比例大,刀具的銳利程度對分離力的影響很大非震。所以小楔角利于木材分離。

2.2 鉆頭

木材加工行業(yè)鉆頭的用量很大,主要用于加工各種盲孔满哪、通孔和挖掉缺陷(節(jié)子)等婿斥。一般用45鋼做刀體,硬質(zhì)合金做刀刃,銅銀釬焊而成。按照合金刀片焊接的形式可分為鑲片式和整體式,鑲片式只有刀頭為硬質(zhì)合金,整體式刀頭和螺旋槽是一整體硬質(zhì)合金棒,焊接和刃磨技術(shù)要求較高翩瓜。

金屬加工用的通孔鉆如整體硬質(zhì)合金直柄麻花鉆,鋒角一般大于80°,以保證鉆頭的強度受扳。而木工鉆頭的鋒利性更重要。鑲片式硬質(zhì)合金銷孔鉆用于橫向鉆削,一般刃部直徑3～16mm,有雙刃,三尖,鉆頭的中心尖要比二劃刃約高1mm,劃刃比主刃高0.5～1.0mm,其標(biāo)準(zhǔn)總長為57mm兔跌。整體式硬質(zhì)合金通孔型鉆頭可用于縱向鉆削,鋒角一般為60°～80°,60°鉆削效果最佳,切削力小,毛邊少勘高。木工鉆頭在普通排鉆上使用有左旋、右旋之分坟桅。以柄部作為安裝和刃磨的基準(zhǔn),一般要求柄部直徑為10mm,通過彈性夾頭等夾于鉆床,包括排鉆华望、立鉆、臺鉆,鉆床轉(zhuǎn)速一般在3000～5000r/min仅乓。

2.3 銑刀

木質(zhì)材料加工用銑刀主要用于在銑床赖舟、鏤銑機及各類加工中心上,加工成型表面、榫槽夸楣、封邊等,轉(zhuǎn)速1～2萬r/min宾抓。按結(jié)構(gòu)形式分為以下三類:

(1)整體式銑刀:一般用45鋼做刀體,硬質(zhì)合金做刀刃,銅銀釬焊而成。刀片突出刀體1～1.5mm,后角10°～15°,前角25°～35°忱确。這種銑刀用鈍后一般刃磨其前刀面,重磨多次后其切削圓直徑將逐漸變小,并且線型弧度會隨之改變,因而影響加工質(zhì)量屏商。所以整體式銑刀適于加工不需配合的線型。封邊機所用的封邊刀屬于這一類型唐耿。

(2)裝配式銑刀:其刀片一般為正多邊形,直接用螺釘安裝在刀體上,并可轉(zhuǎn)位使用犹蝇。刀片使用變鈍后,把刀片轉(zhuǎn)到另一個刃(即刀片的另一邊),即可繼續(xù)使用。這種銑刀經(jīng)調(diào)整囤嗡、更換或維修后仍可保持初始輪廓形狀不變,因而提高了加工質(zhì)量,另外還可用同一刀體,通過配備不同線型的刀片來滿足不同型面的加工要求昵斤。

(3)組合式銑刀:整體式和裝配式銑刀都可以組合成組合式銑刀以加工不同型面。例如,單片指接刀組合使用可加工指榫缤滑。指榫拼接牢固困邪、通用性好,是充分利用木材原料的重要手段∪课＃可根據(jù)材料寬度和拼接松緊要求調(diào)整刀片數(shù)量瘩此、切削深度。這種刀片一般標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)柳锣。

3.木質(zhì)材料加工刀具材料及其磨損

硬質(zhì)合金刀具被廣泛用于切削各種木材愧理、膠合板、刨花板折柠、高中密度板等不同材料,其不僅能粗加工也能精加工,也可加工各種材料的貼面板材宾娜。PCD木工刀具的磨損量約為碳化鎢硬質(zhì)合金刀具的1/5左右,至上世紀(jì)90年代末期,PCD木工刀具的份額已占其總應(yīng)用的40%。全世界每年用于木材加工的PCD刀具價值4000～5000萬美元,今后以15%～20%的速度增長扇售。我國PCD木工刀具目前主要用于強化復(fù)合地板和高硬度纖維板的數(shù)控加工前塔。

木工刀具的磨損過程和金屬刀具一樣也分為初期磨損、持續(xù)磨損和急速磨損三個階段承冰。研究分析知,木工鉆頭的磨損主要出現(xiàn)在后刀面,用硬質(zhì)合金刀具鉆削MDF時,加工15000個孔后,磨損面積仍然很小,隨鉆孔數(shù)的增加磨損量呈緩慢遞增的趨勢,鉆孔量到達9000個后,磨損量趨于平穩(wěn),仍沒有進入急速磨損階段华弓。

木工刀具加工對象是多組分的食零、復(fù)雜的混合體,木質(zhì)材料的特殊性決定了木工刀具常見的三種磨損機理的特殊性。

(1)磨料磨損:由木質(zhì)材料硬質(zhì)點機械擦傷造成,這些硬質(zhì)點包括:樹脂寂屏、石英砂贰谣、節(jié)子和膠合材料等；

(2)化學(xué)腐蝕磨損:刨花板和中密度纖維板施膠過程添加的固化劑(氯化銨)和刀具產(chǎn)生氯氧反應(yīng)造成的高溫氯氧化腐蝕迁霎；或者是木質(zhì)材料切削環(huán)境中存在的單寧吱抚、醋酸和多元酚化合物對刀具的化學(xué)反應(yīng)；

(3)電化學(xué)腐蝕:因刀具材料各組分與木材中的水溶液考廉、有機弱酸狱林、多元酚化合物接觸,構(gòu)成許多微小的原電池而發(fā)生。

因此,提高木工刀具的耐磨性主要有兩個途徑:一是提高刀具耐磨料磨損的能力涛帐；二是提高刀具抗腐蝕磨損的能力衙到。利用表面滲層技術(shù)對碳化鎢硬質(zhì)合金滲硼、釩梯匠、鉻碰蚂、氮,對提高刀具耐磨性有利。鍍層刀具耐磨性也有不同程度的改進誓胆。涂層TiN,Ti(C,N),ZrN,(Ti,Zr)N,TiAlN等的硬質(zhì)合金材料,刀具壽命可以提高幾倍竣楼。用CrN或Cr2N作涂層可明顯改善刀具與木質(zhì)材料的摩擦阻力。金剛石硬度高庸飘、耐磨性好亲堂、化學(xué)惰性好,金剛石涂層木工刀具是一種理想的抗磨手段。NCD(NanocrystallineDiamond)涂層也可以減小摩擦系數(shù),減小量與涂層厚度瞒帜、木材種類甚至其微觀結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系假棉。切削刃的幾何形狀也是可靠涂層的關(guān)鍵因素。

4.結(jié)語

木質(zhì)材料與我們的生產(chǎn)和生活有著密不可分的聯(lián)系,其加工技術(shù)對我們國家建設(shè)和提高人民生活水平有著不可忽視的地位征绸。隨著木工機械高速化與自動化的發(fā)展趨勢,木質(zhì)材料切削加工有良好的發(fā)展趨勢與前景久橙。因此,為了進一步提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量,降低加工成本；全面提升我國木質(zhì)材料加工水平,增加在國際市場上的競爭力,對木質(zhì)材料加工技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題迫切需要進行深入研究與解決,主要待解決問題至少包括:

(1)材料切削機理的研究,特別是用量大和難加工材料(如強化復(fù)合地板)的加工機理的研究管怠；

(2)針對不同材料加工的刀具磨損機理的深入研究,優(yōu)選刀具材料淆衷、優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)；

(3)提高刀具設(shè)計的CAD/CAM技術(shù)渤弛；

(4)提高刀片的焊接與刃磨技術(shù)祝拯；

(5)刀具使用合理化研究:包括不同加工方式應(yīng)采用的不同結(jié)構(gòu)的刀具；以及不同刀具使用時的合理切削參數(shù)她肯。

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