木质材料切削加工技术研究现状

(来源:《工业技术》)

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。

1.木质材料及其加工特点

1.1 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

1.2 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。

1.3 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。

2.木质材料加工钻头和铣刀的结构特点

2.1 木质材料加工刀具基本结构特点

(1)如前所述,木质材料的切削方向不同时需要不同结构的刀具。例如,木材的钻削分为横向钻削和纵向钻削。横向钻削要采用锋角180°(钻头两条切削刃之间的夹角)、具有沉割刀的钻头,其中沉割刀用于在主刃参与切削前先切断木材纤维以保证孔壁的质量。而纵向钻削时采用锥形(即锋角小于180°)钻头。

(2)刀具楔角(前刀面与后刀面的夹角)小:木材强度比金属小得多,因此,其切削过程中,由于切削力的作用,木材首先发生变形,然后分离并排除切屑,切削的分离力所占的比例大,刀具的锐利程度对分离力的影响很大。所以小楔角利于木材分离。

2.2 钻头

木材加工行业钻头的用量很大,主要用于加工各种盲孔、通孔和挖掉缺陷(节子)等。一般用45钢做刀体,硬质合金做刀刃,铜银钎焊而成。按照合金刀片焊接的形式可分为镶片式和整体式,镶片式只有刀头为硬质合金,整体式刀头和螺旋槽是一整体硬质合金棒,焊接和刃磨技术要求较高。

金属加工用的通孔钻如整体硬质合金直柄麻花钻,锋角一般大于80°,以保证钻头的强度。而木工钻头的锋利性更重要。镶片式硬质合金销孔钻用于横向钻削,一般刃部直径3～16mm,有双刃,三尖,钻头的中心尖要比二划刃约高1mm,划刃比主刃高0.5～1.0mm,其标准总长为57mm。整体式硬质合金通孔型钻头可用于纵向钻削,锋角一般为60°～80°,60°钻削效果最佳,切削力小,毛边少。木工钻头在普通排钻上使用有左旋、右旋之分。以柄部作为安装和刃磨的基准,一般要求柄部直径为10mm,通过弹性夹头等夹于钻床,包括排钻、立钻、台钻,钻床转速一般在3000～5000r/min。

2.3 铣刀

木质材料加工用铣刀主要用于在铣床、镂铣机及各类加工中心上,加工成型表面、榫槽、封边等,转速1～2万r/min。按结构形式分为以下三类:

(1)整体式铣刀:一般用45钢做刀体,硬质合金做刀刃,铜银钎焊而成。刀片突出刀体1～1.5mm,后角10°～15°,前角25°～35°。这种铣刀用钝后一般刃磨其前刀面,重磨多次后其切削圆直径将逐渐变小,并且线型弧度会随之改变,因而影响加工质量。所以整体式铣刀适于加工不需配合的线型。封边机所用的封边刀属于这一类型。

(2)装配式铣刀:其刀片一般为正多边形,直接用螺钉安装在刀体上,并可转位使用。刀片使用变钝后,把刀片转到另一个刃(即刀片的另一边),即可继续使用。这种铣刀经调整、更换或维修后仍可保持初始轮廓形状不变,因而提高了加工质量,另外还可用同一刀体,通过配备不同线型的刀片来满足不同型面的加工要求。

(3)组合式铣刀:整体式和装配式铣刀都可以组合成组合式铣刀以加工不同型面。例如,单片指接刀组合使用可加工指榫。指榫拼接牢固、通用性好,是充分利用木材原料的重要手段。可根据材料宽度和拼接松紧要求调整刀片数量、切削深度。这种刀片一般标准化批量生产。

3.木质材料加工刀具材料及其磨损

硬质合金刀具被广泛用于切削各种木材、胶合板、刨花板、高中密度板等不同材料,其不仅能粗加工也能精加工,也可加工各种材料的贴面板材。PCD木工刀具的磨损量约为碳化钨硬质合金刀具的1/5左右,至上世纪90年代末期,PCD木工刀具的份额已占其总应用的40%。全世界每年用于木材加工的PCD刀具价值4000～5000万美元,今后以15%～20%的速度增长。我国PCD木工刀具目前主要用于强化复合地板和高硬度纤维板的数控加工。

木工刀具的磨损过程和金属刀具一样也分为初期磨损、持续磨损和急速磨损三个阶段。研究分析知,木工钻头的磨损主要出现在后刀面,用硬质合金刀具钻削MDF时,加工15000个孔后,磨损面积仍然很小,随钻孔数的增加磨损量呈缓慢递增的趋势,钻孔量到达9000个后,磨损量趋于平稳,仍没有进入急速磨损阶段。

木工刀具加工对象是多组分的、复杂的混合体,木质材料的特殊性决定了木工刀具常见的三种磨损机理的特殊性。

(1)磨料磨损:由木质材料硬质点机械擦伤造成,这些硬质点包括:树脂、石英砂、节子和胶合材料等；

(2)化学腐蚀磨损:刨花板和中密度纤维板施胶过程添加的固化剂(氯化铵)和刀具产生氯氧反应造成的高温氯氧化腐蚀；或者是木质材料切削环境中存在的单宁、醋酸和多元酚化合物对刀具的化学反应；

(3)电化学腐蚀:因刀具材料各组分与木材中的水溶液、有机弱酸、多元酚化合物接触,构成许多微小的原电池而发生。

因此,提高木工刀具的耐磨性主要有两个途径:一是提高刀具耐磨料磨损的能力；二是提高刀具抗腐蚀磨损的能力。利用表面渗层技术对碳化钨硬质合金渗硼、钒、铬、氮,对提高刀具耐磨性有利。镀层刀具耐磨性也有不同程度的改进。涂层TiN,Ti(C,N),ZrN,(Ti,Zr)N,TiAlN等的硬质合金材料,刀具寿命可以提高几倍。用CrN或Cr2N作涂层可明显改善刀具与木质材料的摩擦阻力。金刚石硬度高、耐磨性好、化学惰性好,金刚石涂层木工刀具是一种理想的抗磨手段。NCD(NanocrystallineDiamond)涂层也可以减小摩擦系数,减小量与涂层厚度、木材种类甚至其微观结构有密切联系。切削刃的几何形状也是可靠涂层的关键因素。

4.结语

木质材料与我们的生产和生活有着密不可分的联系,其加工技术对我们国家建设和提高人民生活水平有着不可忽视的地位。随着木工机械高速化与自动化的发展趋势,木质材料切削加工有良好的发展趋势与前景。因此,为了进一步提高生产效率和加工质量,降低加工成本；全面提升我国木质材料加工水平,增加在国际市场上的竞争力,对木质材料加工技术领域的相关问题迫切需要进行深入研究与解决,主要待解决问题至少包括:

(1)材料切削机理的研究,特别是用量大和难加工材料(如强化复合地板)的加工机理的研究；

(2)针对不同材料加工的刀具磨损机理的深入研究,优选刀具材料、优化刀具结构；

(3)提高刀具设计的CAD/CAM技术；

(4)提高刀片的焊接与刃磨技术；

(5)刀具使用合理化研究:包括不同加工方式应采用的不同结构的刀具；以及不同刀具使用时的合理切削参数。

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