木质材料切削加工技术研究现状

1引言

木质材料是一类包括木材和以木材(或其废料)为主要原料,经过机械加工、物理化学处理而得到的具有木材基本特性和主要组分的材料。木材、改性木材、木质人造材料和木质复合材料都属于木质材料。用于加工木质材料的刀具统称为木工刀具,其特点是要求在高速并且承受冲击载荷的切削条件下,长时间保持刀具切削刃的锋利,不仅要具有较好的硬度和耐磨性,还要有足够的强度和韧性。由于木质材料性质的特殊性,切削必须要考虑树种、密度、含水率、木材纹理、纤维方向等因素,这也使得木工刀具的材料选择和结构设计都有较强的针对性。我国虽然是人造板生产、家具生产和木工机械生产大国,但木工刀具制造业相对比较薄弱,耐用度高、加工质量好、适合于目前高速加工趋势的高性能木工刀具仍很紧缺,很大一部分市场份额被外资产品占有。因此了解和掌握目前木质材料加工技术研究现状,有助于我们清楚认识木质材料材质特点及其加工特性和木工刀具结构的特点,对提高我国对木工刀具的重视并进一步对其进行研究和开发,提高我国木质材料切削加工技术水平和加工效率,缩短我国与国际发达国家之间在这一领域的差距有重要意义。

2木质材料及其加工特点

2.1木质材料的分类

通常意义的木材是指树木的树干部分,又称原木或实木,是由纤维素、半纤维素和木素等组成的天然有机高分子材料,它天然生成,纹理自然、色泽质感亲切,比强度大、易于加工,隔热、隔音性好,是家具中不可或缺的材料。木质人造材料包括人造板材、人造方材和成型材料。木质复合材料包括木材塑料、塑化碎料板和木质复合结构板等。由于木材资源的紧缺、人类环保意识的增强以及制造技术的进步,近十年来,世界木质人造材料和木质复合材料特别是人造板工业发展迅猛。常用人造板包括:胶合板、刨花板和纤维板(低密度、中密度、高密度)。表1列出了其中几种典型人造板的类型、用途分类和加工性能。

表1典型的人造板材料

人造板类型-材料组成-表面质量-边部加工性能-用途分类-典型用途-专门用途

针叶树材胶合板-针叶树材单板-砂光后表面光滑-较差-结构用-屋顶板、地板、墙面板-单板层积材(LVL)、混凝土模板、船舶胶合板

阔叶树材胶合板-阔叶树材单板、人造板芯板-砂光后表面光滑-较差-多为非结构用-墙面装饰板、家具、细木工-装饰地板

定向刨花板(OSB)-12×150mm刨花(多为杨木)-砂光后表面光滑-差-结构用-屋顶板、地板、墙面板、地板衬板-工字梁

刨花板-刨花长度<6mm；麦秸-用细刨花时表面很光滑-良好-多为非结构用-家具、细木工、地板衬板、楼梯踏板-无

中密度纤维板(MDF)-木材纤维,纤维束,秸秆-表面非常光滑-很好-非结构用-家具、细木工、装饰线条-无

2.2木材的加工特点

国内外对木材加工性能的研究已经比较成熟。木材与金属性质不同,它是一种典型的具有非均质性和异向性的材料,它的切削特点主要有:

(1)木材材料性质和强度因方向各异,切削时作用于木材纤维方向的夹角不同,木材的应力和破坏载荷也就不同,因而产生的切屑形态和工件表面质量也不同。例如顺纹切削时,材料超前劈裂发生在刃口斜上方,易于弯曲折断,切削表面良好；逆纹切削时,材料超前劈裂发生在刃口斜下方,不易折断,切削表面较差。由于木材的非均质性和异向性,切削方向不同需要不同结构的刀具。

(2)木材硬度不高,机械强度极限较低,分离性好。

(3)耐热能力较差,加工时不能超过其焦化温度(110～120℃)。

(4)适于高速切削:木材切削速度一般在40～70m/s,最高可达120m/s,一般切削刀轴的转速在3000～12000r/min,最高可达20000r/min。高速切削使切屑来不及沿纤维方向劈裂就被切刀切掉,可以获得较高的几何精度和表面粗糙度。

(5)影响木材切削性能的因素很多,不同树种材料的物理力学性质不同,树种、密度、含水率、木材纹理、纤维方向、年轮、温度、力学强度等,都可能会产生不同的切削动力消耗,或发生毛刺等加工缺陷。例如文献[3]通过铣削方式研究木材早材和晚材间过渡区域和材料密度对切削力的影响；文献[4]通过不同木材的微观结构、木材密度研究对刀具磨损的影响,分析表明木材石英含量和木材密度与刀具磨损没有明显的线性关系,指出不能单独用石英含量和大小以及密度来解释切削刃磨损率情况。

2.3木质人造材料的加工特点

木质人造材料种类繁多,又涉及诸多影响因素,为对其进行系统研究带来一定难度。目前还没有这方面的系统深入研究报道。由于这些材料多以木材为主要原料,切削成不同形状、大小的构成单元,再添加胶粘剂等制作而成,因此,木材的非均质性和异向性对这些材料的切削性能仍然有很大影响。国内外对其研究主要归结为两点:

(1)环境等其他条件对材料性能的影响。文献[5,6]研究了不同相对湿度(65%RH和85%RH)环境下中密度纤维板、定向刨花板和刨花板这三种材料的静力强度、硬度、疲劳寿命和蠕变的不同,结果显示,MDF的静力强度最大,刨花板最小,并且65%RH下三种材料的静力强度都比85%RH下的大。另外,由于MDF的纤维比刨花尺寸小,即其材质均匀性更好,所以较高的相对湿度对OSB和刨花板的弹性模量和疲劳寿命造成地不利影响比对MDF的影响更明显；

(2)材料性能对切削力、刀具磨损和加工质量的影响。例如,文献[7]对MDF切削力进行了试验,研究MDF切削力的影响因素并提出切削力计算的经验公式；人造板的含水率、密度与切削性能有很大关系,文献[8]通过一系列切削试验,测量切削力和表面粗糙度,研究刀具的磨损。

用销孔钻对MDF的钻削试验研究表明:影响钻削的因素主要有进给量,转速和切削速度等。轴向方向切削力最大,随着切削速度的增加,切削力增大,当切削速度达到60m/min时,切削力开始减小。MDF钻削切屑为细小粉末,其出口和入口质量随着钻孔数的增加而变差,但孔径变化很小,在钻孔17400个后,孔径仍未超出加工偏差。

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