木工刀具新材料新工藝發展論文

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【摘要】新材料、新工藝和新技術的研究與應用，提高了木工刀具的制造技術和加工質量。木工刀具正向著超硬材料、高精度和高速高效的方向發展。

【關鍵詞】木工刀具；新材料；新技術；新工藝

近年來，現代化木材加工工業發展迅猛，木質復合材料的加工因此得到了高速發展。隨著人們環保意識的增強，人造板工業，如纖維板、刨花板、膠合板、層積材和竹木業等木質復合材料的出現得到了越來越多的發展空間。這些傳統的木工刀具材料已不能滿足工藝要求。目前我國是亞洲生產中密度纖維板（MDF）最大的國家。2001年強化木地板實際產量已增至6000萬m2，如此大量增長的需求對切削加工工具提出了新的要求。在切削人造板等木質復合材料時使用的刀具材料主要是硬質合金，硬質合金的耐磨性、耐熱性和硬度很高。但由于木材本身具有很高的各向異性結構，使得與刀具的摩擦系數很大，而且木質復合材料本身既含有造成刀具機械擦傷的硬質點，又因某些人造板表面還有難以加工的硬質涂層，有引發刀具發生化學腐蝕的酸性介質，這些都會加劇刀具磨損和腐蝕，不僅大大縮短了使用壽命，而且嚴重降低了產品的質量，進而影響了產品的加工成本和生產效率?，F有的硬質合金刀具在耐磨和耐腐蝕性方面已經不能滿足要求，為了達到良好的經濟效益和社會效益，市場迫切需要高性能的、高質量的木工加工刀具。

一、木工刀具新材料

通常用于木工刀具的切削材料主要為碳素工具鋼、合金工具鋼、斯太立合金、高速鋼等，這些材料常用于低切削速度、低進料速度和加工精度要求不高的場合，如刨刀、鋸片、銑刀等，一般用于實木加工。隨著纖維板、刨花板、膠合板和層積材等木質復合材料的出現，這些傳統的切削材料已不能滿足工藝要求。原用于金屬加工的硬質合金材料，現廣泛地應用于木材加工用刀具，并逐漸替代了高速鋼等材料，提了生產效率和加工質量。常用木工刀具的物理機械性能如下表1示：

從上表可知，聚晶金剛石和立方氮化硼具有極高的硬度和耐磨性，特別是聚晶金剛石，其顯微硬度可達10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦系數小，熱膨脹系數低，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，導熱率高，切削時不易產生積屑瘤，可以避免熱量對刀刃和工件的影響，因此刀刃不易鈍化，切削變形小，可以獲得較高質量的表面。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、各種纖維和顆粒加強的復合材料（尤其是實木和膠合板等復合材料）。超硬刀具材料包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片（PCD）刀具及立方氮化硼復合片（PCBN）刀具占主導地位。超硬刀具近40%用于木工刀具。PCD木工刀具主要可分為PCD鋸片和PCD成形銑刀兩大類，PCD鋸片是將PCD刀齒焊接在鋸片基體上再經刃磨后形成，其結構與硬質合金鋸片類似，不同之處是PCD鋸片的前角較硬質合金鋸片小，一般為50～100，楔角為650～750，鋸片規格一般為Φ100～450mm，鋸齒數可多達72齒。PCD成形銑刀的主要品種有用于加工實木地板、復合地板、強化木地板、竹木地板的修邊刀、榫槽刀及PCD家具成形刀等。PCD成形銑刀的切削速度可達3000m/min，走刀量可達每分鐘數米，刀具耐用度是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，由于具有高效率、高耐用度等特點，尤其適合于大批量加工。

二、木工刀具的新技術

隨著木工行業的技術進步和快速發展，木材加工企業的很多設備都需要根據工藝要求，進行特殊設計和制造。這些專用設備具有特別的用途、很高的切削速度和很大的生產能力，因此，對刀具的設計、刀體材料、切削材料、重量和精度都有很高的要求。目前雙端銑刀具的線速度已達110m/s、進給速度高達180m/min，最高可達300m/min;最快的木工四面刨床的進給速度為600m/min;CNC加工中心的主同高速已達5萬r/min，進料速度達到200m/min。高速切削能有效地提高生產效率，提高設備的運轉效率，同時可以減小刀具的切削力，提高工件的加工表面質量，延長刀具的壽命。超微顆粒、特殊牌號的硬質合金和金剛石的廣泛應用，為高速切削刀具提供更廣闊的發展空間。

制造精度隨著機械加工業的發展，制造木工刀具的機械精度越來越高。先進的檢測儀器和檢測手段，提高了木工刀具的制造精度，刀具的公差已達微米級精度。木工刀具精度等級的提高，不僅提高了工件的加工質量，也為高速高效切削提供可靠的保證。安裝精度除刀具的制造精度外，刀具在機床上的精確安裝也非常重要，它不僅影響刀具本身，也影響著機床的使用和壽命。改善刀具的夾持方式是提高刀具安裝精度的有效方法。通常刀具都是帶有中心孔的盤類刀具，與主軸的配合一般為基孔制，小間隙配合，在低速運轉時，不會產生顯著影響。但對于四面刨和雙端銑類機床，在使用盤類刀具時，應采用液壓夾緊軸套，完全消除了液壓軸套和刀軸之間以及軸套和刀具之間的配合間隙，保證了刀具回轉中心和刀軸旋轉軸線一致，提高了刀具回轉精度、定中心精度和動平衡精度。對于CNC設備，則采用錐度定位夾緊，如ISO、SK系列錐度夾頭、HSK中空錐（下轉第221頁）（上接第216頁）度夾頭等，這種夾持方式提高了刀具的定位精度。輕金屬刀體，可以降低刀具的重量，提升動平衡等級。金剛石刀具的制造精度已達微米級精度，采用先進的夾緊技術，不僅提高了刀具的裝夾和定位精度，而且提高了刀具的運轉精度，保證了產品的加工質量，同時也延長了刀具的使用壽命。

三、木工刀具的新工藝

隨著一些新材料的使用，木工刀具走向了多元化的發展。這些新材料在某些力學、物理性能方面具有傳統材料無法比擬的優勢。近年我國木材工業發展迅速，家具和地板生產在全球市場上占有重要地位，產品在國際市場的競爭力不斷增強。為進一步提升產品的檔次和市場競爭力，對木工機械和木工刀具都提出了新的要求。目前，普通切削材料的機械加工刀具已不能滿足新工藝要求，木工刀具正向著超硬材料、高速高效和高精度方向發展。切削材料，如立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)、涂層金剛石(CVD)和單晶金剛石(MCD)等超硬材料的相繼問世，涂層處理毫無疑問是當今研究和開發最多的技術。美國、德國、波蘭等國家在這方面的研究很多，主要是針對涂層結合力、磨損機理、涂層材料性能比較等等。多層涂層、多元復合涂層以及金剛石涂層、CBN、CN涂層將是未來刀具涂層的發展方向。另外，PCD刀具的應用也非常多。德國的藍幟（Leitz）公司是世界生產木工刀具最有名的公司之一，他們已經研究出比PCD刀具耐磨性還要高數十倍的MCD單晶金剛石刀具。無疑對木工刀具行業的發展起到積極的推動作用。木工刀具的制造精度日益提高，不斷出現新的刀具設計和新的產品。

四、木工刀具展望

目前國內外對木材加工刀具的研究都很重視，隨著高效率、高環保意識的深入人心，木材加工這一傳統的產業被賦予了新的發展方向，那就是在刀具磨損機理的研究、刀具幾何參數的計算優化以及表面處理等方面開拓新的前景，特別在刀具表面處理方面，國內也已經有部分專家在木工刀具的理論方面做了大量的研究，比如哈爾濱工業大學也在刀具磨損和PCD木工刀具等方面做了不少的研究。近年來，木工刀具的設計及制造技術正向著提高加工精度、提高產品質量、降低制造成本和使用成本、大批量和規?；a方向發展。