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木材铣削加工技术 李全城

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    发表于 2019-8-8 08:10:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    木材铣削加工技术
    李全城
    (厦门理工学院 现代工程训练中心,福建厦门 361024)
    摘 要:铣削是木材切削加工领域的一种高效率的加工方法,影响木材铣削加工的因素有很多。在阐述木材铣削特点的基础上,介绍了木材铣削机床和木材铣削刀具的选用方法,并对木材铣削刀具材料及其磨损进行了讨论,最后指出了木材铣削加工技术待进一步研究的内容。
    关键词:木材铣削;铣床;铣刀

    [size=1em]在木材切削加工领域,铣削是一种重要的高效率的加工方法,它不仅可用来加工平面和沟槽,也可用来加工各种成型面和曲面。随着人们对木制品家具的更大需求及对加工效率的更高要求,铣削加工在木制品加工中的应用日益广泛。因此,了解和研究木材的铣削加工技术具有重要的实际意义。

    1 木材铣削特点

    [size=1em]包括实木、各种木质人造板和木质复合材料等木材,非均质性和各向异性是它们较为显著的共同性质[1],其主要的铣削特点有:

    [size=1em](1)木材的非均质性和各向异性,使得木材的力学性质与铣削方向密切相关,铣削加工时,不同的铣削方向,木材的应力和破坏载荷也不同,所获得的切屑形态和工件表面质量也有所不同。因此,在木材的铣削加工过程中,针对不同的铣削方向、切屑形态和表面质量等实际铣削要求,需要选择不同结构的铣削刀具。

    [size=1em](2)木材相对金属,其硬度更小、强度更低,因此铣削加工时,通常选用较小的刀具楔角。

    [size=1em](3)木材耐热性比较差,当温度超过110℃时,容易使木材产生焦化现象,因此铣削加工时应控制好木材的温度。

    [size=1em](4)木材适用于高速铣削,这是因为高速铣削时,切屑在沿纤维方向劈裂之前就会被铣刀切掉,从而可以使木材具有较高的几何精度和表面粗糙度,同时木材的表面温度也不会超过其焦化温度[2]。

    [size=1em](5)影响木材铣削性能的因素众多,如树种、密度、含水率、木材纹理、纤维方向、年轮、温度和湿度等等都可能会产生不同的能耗,也可能会产生不同的铣削加工缺陷[3]。F Eyma[4]研究了木材早材和晚材间过度区域和材料密度对铣削力的影响;B Porankiewicz[5]研究了不同木材的微观结构和木材密度对刀具磨损的影响;曹平祥等[6]通过对MDF切削力的影响因素进行了试验研究,指出含水率、密度与切削力有很大的关系。

    2 木材铣削机床

    [size=1em]木材铣削机床是木材切削加工中用途最广的设备之一,木材的开槽、开榫及各种成型面的加工通常都是在木材铣削机床上进行的 [7]。木材铣削机床的种类繁多,针对不同的直线形型面与曲面的铣削加工,需要选用不同的铣床,如针对直线形型面零件的铣削加工,可采用刨床来铣型加工,也可用下轴式铣床进行铣型、裁口、开槽等加工;桌椅腿、扶手等曲线形型面零件的铣削加工,可在下轴铣床上用成型铣刀来完成加工,也可靠模铣床来加工,如实木桌椅、沙发等具有曲线型的实木家具,采用靠模铣床来加工,生产效率较高;画框、桌椅的座靠板及柜板等宽面及板面零件的铣削加工,一般在回转工作台自动靠模铣床或镂铣机上加工;对于弯脚、老虎脚等复杂外形零件的加工,可采用成型铣刀在靠模铣床上进行加工,其中铣刀的刀刃曲率半径、铣刀与工件之间的复合相对运动以及样模的制造精度都会影响零件的加工精度;成形铣削和雕刻,可采用镂铣机来加工;高效、高精度、大批量、多品种、复杂型面的木材铣削加工,可采用数控镂铣机或数控加工中心来完成。近年来,随着科技和经济的发展,越来越多的企业使用数控镂铣机和数控加工中心来加工木材,以此满足人们对现代家具和木制品的短周期、可定制、高质量的需求。

    3 木材铣削刀具

    [size=1em]木材铣削刀具是木材铣削加工中不可或缺的一类刀具。它广泛应用在各类铣床、镂铣机和数控加工中心上,铣削加工各种平面、成形面、榫头、仿型雕刻等。如前面木材的铣削特点所述,针对不同的木材材质、铣削方向和加工表面质量要求等实际铣削加工限制,所选用的铣刀也不同。铣刀的影响因素有很多,如重量、结构、几何尺寸等等,对于铣刀的选用,主要从铣刀技术参数、铣刀结构形式、铣刀回转方向、铣刀切削用量、铣刀运转稳定性及铣刀加工安全性6个方面来综合考虑[8]。

    3.1 选用铣刀的技术参数

    [size=1em]根据所加工工件的要求,选择铣刀的外径、加工厚度、中心孔径、刀刃数、回转方向、回转速度、进给速度、夹持方式、刀具材料及刀具角度(前角、后角、楔角)等相关的技术参数。焊接式整体铣刀的刀齿前角、后角及楔角分别选用 2 5°~35°、1 0°~15°及 4 0°~ 55°。组合式硬质合金成形装配式铣刀的刀具前角、后角及楔角分别选用 10°~3 5°、10°~ 2 0°及 3 0°~4 0°,其中铣削软材时取前角2 5°~3 5°、楔角30°;铣削硬材时取前角10°~25°、楔角40°。

    3.2 选用铣刀的结构形式

    [size=1em]根据所加工木材的材料性质及其实际加工要求,兼顾技术的适用性和经济的合理性的基础上,选用整体式铣刀、装配式铣刀和组合式铣刀。

    [size=1em]3.2.1 整体式铣刀。其刀具刀体和切削刀刃为一整体,一般以45钢为刀体,以硬质合金为刀刃,经钎焊而成。它的切削刀刃露出刀体约1~1.5mm;前角和后角分别约为25°~3 5°和10°~1 5°。这类铣刀的最大优点是制作简便、价格实惠,但是用钝后虽然可以采用刃磨刀刃前刀面的方法来进行开刃,然而经过多次的刃磨以后,不仅会减少它的切削圆直径,而且会改变它的线型弧度,进而影响它的铣削加工精度,因此这种铣刀比较适合于加工不需配合且加工精度要求不是很高的线型。

    [size=1em]3.2.2 装配式铣刀。其刀片多为正多边形,通常用机械夹固的方法把它安装在刀体上,并使刀刃能转位使用。刀片用钝后,只需把刀片转位到另一个新刃上,便可继续使用,等所有刀刃都用钝后,只需更换刀片即可。因此,这种铣刀不仅刀片更换容易、使用方便,而且能保持刀刃廓形不变,加工精度较高。此外,它还具有较广的适用范围,如若要铣削加工不同型面的工件时,可更换与之相适应线型的刀片。

    [size=1em]3.2.3 组合式铣刀。它是由2把或2把以上的铣刀组合而成的。它的单元部分可以是整体式铣刀,也可以是装配式铣刀。它能铣削加工不同型面的工件,如组合槽铣刀调节两刀片间距可加工不同的槽宽,单片指接刀组合使用可加工指榫等。

    3.3 确定铣刀的回转方向

    [size=1em]铣刀的回转方向是由切削刀刃相对铣刀半径的倾角决定的,铣削加工时,应根据刀轴的旋转方向和工件进给方向的相对位置确定铣刀的回转方向。

    3.4 选择铣刀的选削用量

    [size=1em]铣刀的铣削用量主要包括:

    a87d173d9d0d722ef379c555bc25e4b7.jpg

    [size=1em]式中,V为铣削速度;D为切削直径(mm);n为铣刀转速(r/min)。

    [size=1em]3.4.2 进给量。铣削的进给量可以用每齿进给量fz(mm/z)、每转进给量f(mm/r)和每分钟进给量F(mm/min)3种进给量来表示。这3种进给量的关系满足: ef16d7d8c06522901c199602838b3a0a.jpg

    [size=1em]式中,z为铣刀齿数,n为铣刀转速(r/min)。

    [size=1em]3.4.3 铣削深度。铣削深度ap一般是指待加工表面和已加工表面间的垂直距离。

    [size=1em]对这些铣削用量的选用原则是:在保证铣削加工质量的前提下,尽量选用较高的转速、较大进给量和较大的进给深度等铣削用量(适合机床和铣刀性能的情况下),以提高铣削加工效率。特别地,铣削加工木材时,要充分考虑木材的铣削性质,如每齿进给量fz太小,可能会引起木材加工表面产生烧焦现象。一般推荐每齿进给量fz=0.3~1.5mm。光洁表面的每齿进给量推荐选用0.3~0.8mm,中等表面的每齿进给量推荐选用0.8~2.5mm,粗糙或对木材加工表面没有要求时每齿进给量可选用2.5~5.0mm。

    3.5 考虑铣刀运转的稳定性

    [size=1em]选刀运转的稳定性影响着工件的加工精度和加工表面质量,因此在木材的铣削加工过程中,应尽力提高铣刀运转的稳定性。由于铣刀在铣削加工时,在外力的作用下会产生振动和变形,进而影响它的运转稳定性。因此可采取以下措施来提高铣刀的运转稳定性。(1)让铣刀的回转频率避开它的固有频率,以避免铣刀在铣削时产生共振,同时减少铣刀的不平衡重量,使其有良好的动平衡,进而提高它的运转稳定性。(2)控制铣刀的伸出长度、直径及结构,使它满足稳定性标准的要求,特别是对于悬臂刀轴,必须控制好铣刀的长度和直径。一般情况下,在满足刚性和加工要求的条件下尽量选用较短的铣刀长度和较小的铣刀直径,以减少铣刀重量,进而提高铣刀的运转稳定性。

    3.6 确保铣刀铣削加工的安全性

    [size=1em]铣刀铣削加工的安全性主要考虑铣刀回转速度、屑片厚度、成型铣刀轮廓形高度及装配铣刀刀片厚度与伸出长度等方面的影响,具体如下:

    [size=1em](1)木材的高速铣削特点,既提高了木材的加工效率和加工表面质量,同时也带来了一些安全隐患。因此在高速铣削时,应注意考虑铣刀的质量、动平衡性及其夹持牢固性。特别地,在铣刀回转速度不小于9000r/min和刀具直径不小于16mm的情况下,只能使用整体式铣刀或者全部由整体式铣刀组合而成的组合式铣刀,且对于焊接整体铣刀在使用前应对它的焊缝进行严格的探伤检测。

    [size=1em](2)为避免在铣削加工时,铣刀进给量过大而引起铣刀过载,必须依据相关标准规定和通用的安全准则对屑片厚度及容屑槽进行限制。

    [size=1em](3)成型铣刀的轮廓形高度值影响着铣刀的装夹方法、切削工件厚度、铣刀直径,不仅决定了铣刀的强度和刚度,而且也决定了铣刀对切削阻力的承受能力。所以必须对成型铣刀的轮廓形高度进行限制,以保证铣刀的使用安全性。

    [size=1em](4)装配式铣刀使用时承受着较大的回转离心力,因此要确保其上的刀片夹持稳固。具体地,相对刀片的伸出长度,对刀片的长度和厚度要进行一个最小量的限制,只有在大于这个最小量限制的值时,才能允许使用铣刀,避免安全隐患。

    4 木材铣削刀具材料及其磨损

    [size=1em]木材铣削刀具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金和金刚石等,其中应用最广泛的当属硬质合金和金刚石(特别是聚晶金刚石PCD)。硬质合金刀具被广泛应用于切削各种木材、胶合板、刨花板、高中密度板等不同材料,它不仅能实现粗加工也能完成精加工,同时,可用于加工各种材料的贴面板材。然而由于硬质合金是脆性材料,其抗弯强度和冲击韧性都比普通高速钢差很多,限制了它的进一步应用。为此,国内外的学者通过采取细化晶粒、热处理、添加稀有金属、添加稀土元素及添加涂层等有效手段,进一步改善和提高了硬质合金刀具材料的切削性能。金刚石由于相对硬质合金有着更高的硬度、强度及耐磨性等优点,而越来越多地被用来制作成铣削刀具。目前工业上使用较多的是聚晶金刚石刀具(简称PCD),通常是把PCD做成复合片,用烧结或高频感应加热钎焊的方法把它固定在硬质合金上,然后再把硬质合金焊接在基体上。PCD木工刀具的磨损量约是碳化钨硬质合金刀具的1/5左右,至20世纪90年代末期,PCD木工刀具的份额已占其总应用的40%[9]。全世界每年用于木材加工的PCD刀具价值4000~5000万美元,今后将以15%~20%的速度增长[10]。PCD木工刀具主要用于强化复合板、多层实木复合板、硬度纤维板和门等的加工。

    [size=1em]木材铣削刀具的耐用度与刀具几何形状、木材和刀具材料、铣削用量、铣削方式等息息相关。一般情况下,刀具楔角越小、后角越大、木材比重小含水率高、刀具材料硬度强度高、开式铣削等,都会使刀具具有较高的耐用度。在实际铣削加工中,铣削用量的确定顺序,一般是先选择大的铣削深度,然后根据铣削加工条件和实际加工要求选择最大的进给量,最后根据刀具耐用度和机床功率选择最大的铣削速度。木材铣削刀具的磨损过程可分为初期磨损、持续磨损和急速磨损3个阶段,它的磨损原因主要有由木质材料的矿物质、树脂、节子等硬质点机械擦伤造成的磨料磨损;木材中氯化铵和刀具产生的氯氧反应造成的高温氯氧氧化腐蚀磨损;木材中的单宁、醋酸和多元酚化合物对刀具的化学反应造成的化学腐蚀磨损;刀具材料各组分和木材中的有机弱酸、水溶液、多元酚化合物接触构成许多微水的原电池而发生的电化学腐蚀磨损[11]。所以,提高木工铣刀的耐磨性主要有2个手段:一是提高铣刀耐磨料磨损的能力;二是提高铣刀抗腐蚀磨损的能力。国内外的学者通过研究表明:采用激光淬火、高频淬火和点接触淬火的表面热处理技术、渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗硼的渗层技术、镀层技术以及涂层技术等手段能提高刀具的耐磨性[12-13]。

    5 小结

    [size=1em]木材在我们的生活中扮演着重要的角色,其铣削加工技术对它的广泛应用有着不可忽视的影响作用,而铣床和铣刀又是铣削加工中不可或缺的重要装备,因此在木材的铣削加工过程中,针对不同的铣削加工要求,应当选用适合的铣床和铣刀,这样才能高效、高质地完成木材的铣削加工工作。同时,为进一步提高木材的铣削加工技术,可对以下问题开展科学研究:(1)对木材的铣削加工机理开展深入的研究,特别是对需求量大、难加工的木材的铣削机理的研究。(2)开发功能更强大的木材铣削机床,解决复杂空间曲面的木材的铣削加工。(3)基于刀具磨损机理的研究、刀具CAD/CAM技术的研究和刀具刃磨技术的研究的基础上,优化刀具材料和结构,提高刀具的耐磨损性能和使用寿命。(4)建立一整套参考标准,解决不同机床、不同铣刀和不同木材,所使用的合理的铣削参数,为木材的高效率、自动化加工作出贡献。

    [size=1em]参考文献:

    [size=1em][1]王素霞.木质材料切削加工技术[J].木工机床,2009(1):18-20.

    [size=1em][2]李黎.木材切削原理与刀具[M].北京:中国林业出版社,2005.

    [size=1em][3]曾丽霞,袁慧,王成勇,等.木质材料切削加工技术研究现状[J].工具技术,2007,41(5):5-10.

    [size=1em][4]F Eyma,Pr P Martin.Influence of the transitional zone of wood species on cutting forces in the router cutting process [J].Holz als Roh-und Werkstoff,2001,(59):489-490.

    [size=1em][5]B Porankiewicz,J Sandak,C Tananka.Factors influencing steel tool wear when milling wood[J].Wood Sci Technol,2005(39):225-234

    [size=1em][6]曹平祥,郝宁仲,等.中密度纤维板切削力的研究[J].南京林业大学学报,1996,20(2):75-79

    [size=1em][7]李赐生,梁跃芝.木工铣床在木材加工中的安全性分析[J].木材加工机械,2002,13(4):13-14.

    [size=1em][8]李黎.木工铣刀的选用[J].木材加工机械,2008,19(5):47-52.

    [size=1em][9]寇自力.超硬刀具的发展与应用[J].工具技术,2000,34(8):6-8.

    [size=1em][10]王光祖.从市场需求看超硬材料的发展轨迹[J].珠宝科技,2004,(6):1-5.

    [size=1em][11]曹鼎,熊计.木质复合材料加工刀具的研究进展[J].工具技术,2005,39(9):6-9.

    [size=1em][12]M A Djouadi,C Nouveau,etal.CrxNy hard coatings deposited with PVD method on tools for wood machining [J].Surface and Coatings Technology,2000(133~134):478-483.

    [size=1em][13]曹平祥,王毅,周兆斌,等.木工刀具磨损机理及抗磨技术[J].林产工业,2003,30(4):19-21.



    [size=1em]基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(JAT160366);厦门理工学院横向科研项目(2016-3502-04-002985)。

    [size=1em]作者简介:李全城(1988-),男,实验师,硕士,主要从事机械制造及其自动化方面的科学研究和工程训练方面的教学研究



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