木工刀具新材料新工艺发展论文

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【摘要】新材料、新工艺和新技术的研究与应用，提高了木工刀具的制造技术和加工质量。木工刀具正向着超硬材料、高精度和高速高效的方向发展。

【关键词】木工刀具；新材料；新技术；新工艺

近年来，现代化木材加工工业发展迅猛，木质复合材料的加工因此得到了高速发展。随着人们环保意识的增强，人造板工业，如纤维板、刨花板、胶合板、层积材和竹木业等木质复合材料的出现得到了越来越多的发展空间。这些传统的木工刀具材料已不能满足工艺要求。目前我国是亚洲生产中密度纤维板（MDF）最大的国家。2001年强化木地板实际产量已增至6000万m2，如此大量增长的需求对切削加工工具提出了新的要求。在切削人造板等木质复合材料时使用的刀具材料主要是硬质合金，硬质合金的耐磨性、耐热性和硬度很高。但由于木材本身具有很高的各向异性结构，使得与刀具的摩擦系数很大，而且木质复合材料本身既含有造成刀具机械擦伤的硬质点，又因某些人造板表面还有难以加工的硬质涂层，有引发刀具发生化学腐蚀的酸性介质，这些都会加剧刀具磨损和腐蚀，不仅大大缩短了使用寿命，而且严重降低了产品的质量，进而影响了产品的加工成本和生产效率。现有的硬质合金刀具在耐磨和耐腐蚀性方面已经不能满足要求，为了达到良好的经济效益和社会效益，市场迫切需要高性能的、高质量的木工加工刀具。

一、木工刀具新材料

通常用于木工刀具的切削材料主要为碳素工具钢、合金工具钢、斯太立合金、高速钢等，这些材料常用于低切削速度、低进料速度和加工精度要求不高的场合，如刨刀、锯片、铣刀等，一般用于实木加工。随着纤维板、刨花板、胶合板和层积材等木质复合材料的出现，这些传统的切削材料已不能满足工艺要求。原用于金属加工的硬质合金材料，现广泛地应用于木材加工用刀具，并逐渐替代了高速钢等材料，提了生产效率和加工质量。常用木工刀具的物理机械性能如下表1示：

从上表可知，聚晶金刚石和立方氮化硼具有极高的硬度和耐磨性，特别是聚晶金刚石，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，热膨胀系数低，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，导热率高，切削时不易产生积屑瘤，可以避免热量对刀刃和工件的影响，因此刀刃不易钝化，切削变形小，可以获得较高质量的表面。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、各种纤维和颗粒加强的复合材料（尤其是实木和胶合板等复合材料）。超硬刀具材料包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片（PCD）刀具及立方氮化硼复合片（PCBN）刀具占主导地位。超硬刀具近40%用于木工刀具。PCD木工刀具主要可分为PCD锯片和PCD成形铣刀两大类，PCD锯片是将PCD刀齿焊接在锯片基体上再经刃磨后形成，其结构与硬质合金锯片类似，不同之处是PCD锯片的前角较硬质合金锯片小，一般为50～100，楔角为650～750，锯片规格一般为Φ100～450mm，锯齿数可多达72齿。PCD成形铣刀的主要品种有用于加工实木地板、复合地板、强化木地板、竹木地板的修边刀、榫槽刀及PCD家具成形刀等。PCD成形铣刀的切削速度可达3000m/min，走刀量可达每分钟数米，刀具耐用度是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，由于具有高效率、高耐用度等特点，尤其适合于大批量加工。

二、木工刀具的新技术

随着木工行业的技术进步和快速发展，木材加工企业的很多设备都需要根据工艺要求，进行特殊设计和制造。这些专用设备具有特别的用途、很高的切削速度和很大的生产能力，因此，对刀具的设计、刀体材料、切削材料、重量和精度都有很高的要求。目前双端铣刀具的线速度已达110m/s、进给速度高达180m/min，最高可达300m/min;最快的木工四面刨床的进给速度为600m/min;CNC加工中心的主同高速已达5万r/min，进料速度达到200m/min。高速切削能有效地提高生产效率，提高设备的运转效率，同时可以减小刀具的切削力，提高工件的加工表面质量，延长刀具的寿命。超微颗粒、特殊牌号的硬质合金和金刚石的广泛应用，为高速切削刀具提供更广阔的发展空间。

制造精度随着机械加工业的发展，制造木工刀具的机械精度越来越高。先进的检测仪器和检测手段，提高了木工刀具的制造精度，刀具的公差已达微米级精度。木工刀具精度等级的提高，不仅提高了工件的加工质量，也为高速高效切削提供可靠的保证。安装精度除刀具的制造精度外，刀具在机床上的精确安装也非常重要，它不仅影响刀具本身，也影响着机床的使用和寿命。改善刀具的夹持方式是提高刀具安装精度的有效方法。通常刀具都是带有中心孔的盘类刀具，与主轴的配合一般为基孔制，小间隙配合，在低速运转时，不会产生显著影响。但对于四面刨和双端铣类机床，在使用盘类刀具时，应采用液压夹紧轴套，完全消除了液压轴套和刀轴之间以及轴套和刀具之间的配合间隙，保证了刀具回转中心和刀轴旋转轴线一致，提高了刀具回转精度、定中心精度和动平衡精度。对于CNC设备，则采用锥度定位夹紧，如ISO、SK系列锥度夹头、HSK中空锥（下转第221页）（上接第216页）度夹头等，这种夹持方式提高了刀具的定位精度。轻金属刀体，可以降低刀具的重量，提升动平衡等级。金刚石刀具的制造精度已达微米级精度，采用先进的夹紧技术，不仅提高了刀具的装夹和定位精度，而且提高了刀具的运转精度，保证了产品的加工质量，同时也延长了刀具的使用寿命。

三、木工刀具的新工艺

随着一些新材料的使用，木工刀具走向了多元化的发展。这些新材料在某些力学、物理性能方面具有传统材料无法比拟的优势。近年我国木材工业发展迅速，家具和地板生产在全球市场上占有重要地位，产品在国际市场的竞争力不断增强。为进一步提升产品的档次和市场竞争力，对木工机械和木工刀具都提出了新的要求。目前，普通切削材料的机械加工刀具已不能满足新工艺要求，木工刀具正向着超硬材料、高速高效和高精度方向发展。切削材料，如立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)、涂层金刚石(CVD)和单晶金刚石(MCD)等超硬材料的相继问世，涂层处理毫无疑问是当今研究和开发最多的技术。美国、德国、波兰等国家在这方面的研究很多，主要是针对涂层结合力、磨损机理、涂层材料性能比较等等。多层涂层、多元复合涂层以及金刚石涂层、CBN、CN涂层将是未来刀具涂层的发展方向。另外，PCD刀具的应用也非常多。德国的蓝帜（Leitz）公司是世界生产木工刀具最有名的公司之一，他们已经研究出比PCD刀具耐磨性还要高数十倍的MCD单晶金刚石刀具。无疑对木工刀具行业的发展起到积极的推动作用。木工刀具的制造精度日益提高，不断出现新的刀具设计和新的产品。

四、木工刀具展望

目前国内外对木材加工刀具的研究都很重视，随着高效率、高环保意识的深入人心，木材加工这一传统的产业被赋予了新的发展方向，那就是在刀具磨损机理的研究、刀具几何参数的计算优化以及表面处理等方面开拓新的前景，特别在刀具表面处理方面，国内也已经有部分专家在木工刀具的理论方面做了大量的研究，比如哈尔滨工业大学也在刀具磨损和PCD木工刀具等方面做了不少的研究。近年来，木工刀具的设计及制造技术正向着提高加工精度、提高产品质量、降低制造成本和使用成本、大批量和规模化生产方向发展。