硬質(zhì)木材榫槽組合銑刀的設(shè)計(jì)

高炳天 權(quán)富成

（①蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730050;②蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730021）

目前，我國(guó)為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，木材的供給量將日漸減少，材質(zhì)不斷降低［1］。面臨難加工的硬質(zhì)木材（簡(jiǎn)稱(chēng)“硬材”）會(huì)逐漸增多，節(jié)子木材應(yīng)得到合理利用，節(jié)子屬硬質(zhì)木材。要充分利用這些資源，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由此可見(jiàn)，加工實(shí)踐的需要促進(jìn)木材刀具技術(shù)創(chuàng)新，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，研發(fā)成本低廉、實(shí)用新型的木材成形刀具是當(dāng)務(wù)之急。

小型臺(tái)式多用木工機(jī)床（型號(hào)MQ431C）硬材榫槽（寬12 mm，深13 mm）難加工是該機(jī)床的技術(shù)瓶頸。研發(fā)了一款圓鋸片組合木工成形銑刀。該刀具結(jié)構(gòu)通過(guò)改革創(chuàng)新，不僅使硬材榫槽可以實(shí)現(xiàn)，而且有效提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量;具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，成本低，易推廣應(yīng)用，實(shí)用新型的特點(diǎn)。深受個(gè)體用戶(hù)、小型企業(yè)用戶(hù)青睞。

1 圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)計(jì)條件分析

小型臺(tái)式多用木工機(jī)床是目前我國(guó)木工機(jī)械行業(yè)中產(chǎn)銷(xiāo)量最大的一種木工設(shè)備，年產(chǎn)40萬(wàn)臺(tái)以上［2］。榫槽的成形銑刀（見(jiàn)圖1），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800 r/min，主軸轉(zhuǎn)速3 446 r/min，刀刃材料高速鋼，榫槽范圍5～13 mm，刀刃直徑90 mm，刃寬12 mm，榫槽時(shí)木工手持木條緊靠定位板緩慢推進(jìn)實(shí)現(xiàn)加工。圖1示結(jié)構(gòu)屬直齒雙刃裝配式盤(pán)狀成形銑刀［3］，切削時(shí)整個(gè)刀刃同時(shí)切入切出，斷續(xù)切削導(dǎo)致較大的切削沖擊力，噪聲大，機(jī)床振動(dòng)進(jìn)料困難，加工質(zhì)量不能保證。木材密度大于0.7 g/cm3稱(chēng)之為硬材，特點(diǎn)是密度大，硬度高。當(dāng)加工硬材時(shí)不僅容易崩刃，當(dāng)加工節(jié)子木材時(shí)會(huì)擠壓節(jié)子飛出，或者擠壓與節(jié)子相連木材會(huì)順紋開(kāi)裂，材料報(bào)廢，而且嚴(yán)重威脅木工人生安全。分析其主要原因是直齒雙刃成形銑刀的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)。

1．2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

德國(guó)Petutschnigg教授提出成形銑削的分層理論［4］。提出了刀刃分塊減小切削力的原理;美國(guó)人Steward提出:要想達(dá)到有效降低噪聲的目的，需要采用大螺旋角連續(xù)切削的刀刃［5］;臺(tái)灣進(jìn)口的階梯形玉米狀圓柱銑刀就是采用了分塊式結(jié)構(gòu)。國(guó)際上的新技術(shù)的應(yīng)用由于制作和使用上的困難而限制了它們的推廣使用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的新技術(shù)、研究成果對(duì)此作了進(jìn)一步的研究，得出了組合式刀具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)切削性能的方案:以數(shù)塊窄刃刀具圓鋸片組合，相鄰刀刃在軸向位置尺寸有重合量，刀具刀刃構(gòu)成成形面加工尺寸;組合時(shí)刀刃錯(cuò)位排列成各段直刃呈螺旋狀即大刃傾角（見(jiàn)圖2）。該刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以窄刃組合代替寬刃，多刃代替雙刃，刀刃錯(cuò)位排列呈螺旋狀代替直齒。創(chuàng)新性在于采用了分塊式結(jié)構(gòu)，具有分塊切削刀刃的優(yōu)良切削性能。

1．3 圓鋸片材料選擇

圓鋸片切削加工的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是衡量圓鋸片切削加工性能的重要指標(biāo)。因而，圓鋸片材料采用國(guó)產(chǎn)高速工具鋼帶鋸鋼帶制作，型號(hào)100×1.2，寬度為100 mm，厚度為1．2 mm。高速工具鋼具有良好淬透性，硬度及剛性強(qiáng)，耐熱變形小，屬超高強(qiáng)度鋼，熱塑性穩(wěn)定，適宜制造高檔薄圓鋸片。

1．4 圓鋸片參數(shù)設(shè)計(jì)

圓鋸片基本設(shè)計(jì)參數(shù)有直徑D、孔徑d、齒數(shù)Z和角度參數(shù)等，其中直徑D和角度參數(shù)為主要設(shè)計(jì)參數(shù)。圓鋸片直徑和孔徑設(shè)計(jì)與雙齒榫槽銑刀參數(shù)相同:即D=90 mm，d=18 mm。

1．4．1 圓鋸片齒數(shù)Z設(shè)計(jì)

鋸齒的齒數(shù)，一般來(lái)說(shuō)齒數(shù)越多，在單位時(shí)間內(nèi)切削的刃口越多，切削性能越好，但切削齒數(shù)多鋸齒強(qiáng)度降低，齒間的容屑量變小，容易引起鋸片發(fā)熱;刀具齒數(shù)過(guò)少，如前所述會(huì)造成較大的切削沖擊。因從提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)率的角度考慮。按刀具齒數(shù)估算公式為參考，

式中:Z為齒數(shù)，齒;D為刀刃直徑，mm。若取D=90 mm，則:Z=10.8～28.8齒。

結(jié)合小型臺(tái)式木工多用機(jī)床切削速度不高、手動(dòng)進(jìn)給，Z選小值，取13齒。

1．4．2 圓鋸片鋸齒角度參數(shù)設(shè)計(jì)

采用大前角［6］。刀具前角對(duì)其切削性能有很大影響，前角大能使切削流暢且功率消耗少、噪聲低、進(jìn)給阻力小。實(shí)際生產(chǎn)中，木工銑刀多采用大前角，一般取25°～35°，選取原則是硬材選較小值，軟材選較大值。

1．5 圓鋸片鋸齒廓形設(shè)計(jì)

組合銑刀結(jié)構(gòu)改革創(chuàng)新，一方面具有分塊式結(jié)構(gòu)，另一方面鋸齒廓形設(shè)計(jì)成了刨削鋸齒狀（見(jiàn)圖3），齒刃強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。鋸齒廓形設(shè)計(jì)成刨削鋸齒狀［7］，面積大散熱性好，增大容屑槽能降低摩擦產(chǎn)生溫度，保持圓鋸片鋸齒的強(qiáng)度，提高鋸齒的耐用度和使用壽命。

齒形的選擇能銳利地鋸切且切口平滑，則用左右平組合齒，鋸路寬3 mm。

1．6 圓鋸片組合拼裝

圓鋸片、平墊數(shù)塊疊加方式實(shí)現(xiàn)寬槽鋸路切削。在保證尺寸精度的條件下，在小型臺(tái)式多用木工機(jī)床的主軸上直接安裝，以相鄰圓鋸片分片套裝在不同刀槽套中，中間套裝平墊，使各分片齒刃的安裝沿刀軸呈螺旋狀有序排列。為減小各分塊的軸向結(jié)合誤差，相鄰分塊沿刀具的軸向位置尺寸有重合量。兩端用帶法蘭盤(pán)軸套夾緊，見(jiàn)圖4。

2 切削性能分析

2．1 結(jié)構(gòu)分析

雙齒榫槽成形銑刀結(jié)構(gòu)屬整體式切削，直齒雙刃，斷續(xù)切削振動(dòng)激烈。圓鋸片組合榫槽成形銑刀具有分塊式結(jié)構(gòu)，組合拼裝后切削刀刃呈螺旋狀即大刃傾角［8］;刨削鋸齒狀增大了容屑槽，增強(qiáng)了鋸齒刀刃強(qiáng)度;采用了大前角，切削輕快、平穩(wěn)。

2．2 切削性能分析

圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀比雙齒榫槽木工成形銑刀切削性能比較:前者切削力要小得多，切削力引起的切削振動(dòng)也要小得多，且切削流暢，功率消耗少、噪聲低;加工面粗糙度值小，切屑呈波狀連接切屑，生產(chǎn)環(huán)境清潔化程度顯著提高。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀設(shè)計(jì)成功后，經(jīng)小型臺(tái)式多用木工機(jī)床試用（見(jiàn)圖2），加工硬質(zhì)木材見(jiàn)圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果榫槽不論硬材還是軟材，平均進(jìn)給速度均為2.8 m/min，是直齒雙刃盤(pán)類(lèi)成形銑刀進(jìn)料速度的3倍，切削過(guò)程平穩(wěn)，成形面質(zhì)量光潔平整，噪聲降低。研發(fā)的刀具達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。應(yīng)用結(jié)果:切削性能顯著改善，使用維護(hù)方便。

4 結(jié)語(yǔ)

圓鋸片組合榫槽木工成形刀具的成功研發(fā)，應(yīng)用了國(guó)內(nèi)、外成形刀具改善切削性能新成果、新技術(shù)、新理論，對(duì)成形刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新。其創(chuàng)新點(diǎn)是圓鋸片齒刃采用大前角;齒廓形設(shè)計(jì)成刨削鋸齒狀;組合拼裝后圓鋸片具有分塊式結(jié)構(gòu)，基本上達(dá)到了與大螺旋角刀刃相同的切削性能。通過(guò)不同數(shù)量的圓鋸片、平墊組合可加工寬3～12 mm，深13 mm的任意榫槽，顯著拓寬了設(shè)備功能。解決了小型臺(tái)式木工多用機(jī)床對(duì)硬材榫槽不能能加工的技術(shù)瓶頸，有利于提高木材資源利用率，有利于提高木工生產(chǎn)效率。因此具有較強(qiáng)實(shí)用性及極高的推廣價(jià)值。

［1］曹平祥，王毅．木工刀具磨損機(jī)理及抗磨技術(shù)［J］．林產(chǎn)工業(yè)，2003，30（5）:19－20．

［2］曹鼎，熊計(jì)．木質(zhì)復(fù)合材料加工刀具的研究進(jìn)展［J］．工具技術(shù)，2005，39（9）:6－9

［3］曾麗霞，袁慧．木質(zhì)材料切削加工技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］．工具技術(shù)，2007，41（5）:5－9．

［4］馬巖．國(guó)外木材切削刀具設(shè)計(jì)理論研究新進(jìn)展［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2007（3）:4－8．

［5］姜建平．木材成形銑刀切削性能改善的方法探討［J］．青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（1）:1－5．

［6］孟慶午，林成志．國(guó)內(nèi)外木材鋸切理論研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)概述［J］．家具，2008（4）:21－23．

［7］金維誅，潘鍥，權(quán)喜，等．超硬木工成型銑刀參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．木材加工機(jī)械，2006（4）:1－3．

［8］曹平祥．當(dāng)代木工刀具的發(fā)展概況［J］．木材加工機(jī)械，2006（2）:29－34．