木材銑削加工技術(shù)

李全城

（廈門理工學(xué)院 現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，福建廈門 361024）

在木材切削加工領(lǐng)域，銑削是一種重要的高效率的加工方法，它不僅可用來加工平面和溝槽，也可用來加工各種成型面和曲面。隨著人們對(duì)木制品家具的更大需求及對(duì)加工效率的更高要求，銑削加工在木制品加工中的應(yīng)用日益廣泛。因此，了解和研究木材的銑削加工技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。

1 木材銑削特點(diǎn)

包括實(shí)木、各種木質(zhì)人造板和木質(zhì)復(fù)合材料等木材，非均質(zhì)性和各向異性是它們較為顯著的共同性質(zhì)[1]，其主要的銑削特點(diǎn)有：

（1）木材的非均質(zhì)性和各向異性，使得木材的力學(xué)性質(zhì)與銑削方向密切相關(guān)，銑削加工時(shí)，不同的銑削方向，木材的應(yīng)力和破壞載荷也不同，所獲得的切屑形態(tài)和工件表面質(zhì)量也有所不同。因此，在木材的銑削加工過程中，針對(duì)不同的銑削方向、切屑形態(tài)和表面質(zhì)量等實(shí)際銑削要求，需要選擇不同結(jié)構(gòu)的銑削刀具。

（2）木材相對(duì)金屬，其硬度更小、強(qiáng)度更低，因此銑削加工時(shí)，通常選用較小的刀具楔角。

（3）木材耐熱性比較差，當(dāng)溫度超過110℃時(shí)，容易使木材產(chǎn)生焦化現(xiàn)象，因此銑削加工時(shí)應(yīng)控制好木材的溫度。

（4）木材適用于高速銑削，這是因?yàn)楦咚巽娤鲿r(shí)，切屑在沿纖維方向劈裂之前就會(huì)被銑刀切掉，從而可以使木材具有較高的幾何精度和表面粗糙度，同時(shí)木材的表面溫度也不會(huì)超過其焦化溫度[2]。

（5）影響木材銑削性能的因素眾多，如樹種、密度、含水率、木材紋理、纖維方向、年輪、溫度和濕度等等都可能會(huì)產(chǎn)生不同的能耗，也可能會(huì)產(chǎn)生不同的銑削加工缺陷[3]。F Eyma[4]研究了木材早材和晚材間過度區(qū)域和材料密度對(duì)銑削力的影響；B Porankiewicz[5]研究了不同木材的微觀結(jié)構(gòu)和木材密度對(duì)刀具磨損的影響；曹平祥等[6]通過對(duì)MDF切削力的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出含水率、密度與切削力有很大的關(guān)系。

2 木材銑削機(jī)床

木材銑削機(jī)床是木材切削加工中用途最廣的設(shè)備之一，木材的開槽、開榫及各種成型面的加工通常都是在木材銑削機(jī)床上進(jìn)行的[7]。木材銑削機(jī)床的種類繁多，針對(duì)不同的直線形型面與曲面的銑削加工，需要選用不同的銑床，如針對(duì)直線形型面零件的銑削加工，可采用刨床來銑型加工，也可用下軸式銑床進(jìn)行銑型、裁口、開槽等加工；桌椅腿、扶手等曲線形型面零件的銑削加工，可在下軸銑床上用成型銑刀來完成加工，也可靠模銑床來加工，如實(shí)木桌椅、沙發(fā)等具有曲線型的實(shí)木家具，采用靠模銑床來加工，生產(chǎn)效率較高；畫框、桌椅的座靠板及柜板等寬面及板面零件的銑削加工，一般在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)自動(dòng)靠模銑床或鏤銑機(jī)上加工；對(duì)于彎腳、老虎腳等復(fù)雜外形零件的加工，可采用成型銑刀在靠模銑床上進(jìn)行加工，其中銑刀的刀刃曲率半徑、銑刀與工件之間的復(fù)合相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及樣模的制造精度都會(huì)影響零件的加工精度；成形銑削和雕刻，可采用鏤銑機(jī)來加工；高效、高精度、大批量、多品種、復(fù)雜型面的木材銑削加工，可采用數(shù)控鏤銑機(jī)或數(shù)控加工中心來完成。近年來，隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)使用數(shù)控鏤銑機(jī)和數(shù)控加工中心來加工木材，以此滿足人們對(duì)現(xiàn)代家具和木制品的短周期、可定制、高質(zhì)量的需求。

3 木材銑削刀具

木材銑削刀具是木材銑削加工中不可或缺的一類刀具。它廣泛應(yīng)用在各類銑床、鏤銑機(jī)和數(shù)控加工中心上，銑削加工各種平面、成形面、榫頭、仿型雕刻等。如前面木材的銑削特點(diǎn)所述，針對(duì)不同的木材材質(zhì)、銑削方向和加工表面質(zhì)量要求等實(shí)際銑削加工限制，所選用的銑刀也不同。銑刀的影響因素有很多，如重量、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等等，對(duì)于銑刀的選用，主要從銑刀技術(shù)參數(shù)、銑刀結(jié)構(gòu)形式、銑刀回轉(zhuǎn)方向、銑刀切削用量、銑刀運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及銑刀加工安全性6個(gè)方面來綜合考慮[8]。

3.1 選用銑刀的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)所加工工件的要求，選擇銑刀的外徑、加工厚度、中心孔徑、刀刃數(shù)、回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度、夾持方式、刀具材料及刀具角度（前角、后角、楔角）等相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。焊接式整體銑刀的刀齒前角、后角及楔角分別選用 2 5°～35°、1 0°～15°及 4 0°～ 55°。組合式硬質(zhì)合金成形裝配式銑刀的刀具前角、后角及楔角分別選用 10°～3 5°、10°～ 2 0°及 3 0°～4 0°，其中銑削軟材時(shí)取前角2 5°～3 5°、楔角30°；銑削硬材時(shí)取前角10°～25°、楔角40°。

3.2 選用銑刀的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)所加工木材的材料性質(zhì)及其實(shí)際加工要求，兼顧技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)的合理性的基礎(chǔ)上，選用整體式銑刀、裝配式銑刀和組合式銑刀。

3.2.1 整體式銑刀。其刀具刀體和切削刀刃為一整體，一般以45鋼為刀體，以硬質(zhì)合金為刀刃，經(jīng)釬焊而成。它的切削刀刃露出刀體約1～1.5mm；前角和后角分別約為25°～3 5°和10°～1 5°。這類銑刀的最大優(yōu)點(diǎn)是制作簡便、價(jià)格實(shí)惠，但是用鈍后雖然可以采用刃磨刀刃前刀面的方法來進(jìn)行開刃，然而經(jīng)過多次的刃磨以后，不僅會(huì)減少它的切削圓直徑，而且會(huì)改變它的線型弧度，進(jìn)而影響它的銑削加工精度，因此這種銑刀比較適合于加工不需配合且加工精度要求不是很高的線型。

3.2.2 裝配式銑刀。其刀片多為正多邊形，通常用機(jī)械夾固的方法把它安裝在刀體上，并使刀刃能轉(zhuǎn)位使用。刀片用鈍后，只需把刀片轉(zhuǎn)位到另一個(gè)新刃上，便可繼續(xù)使用，等所有刀刃都用鈍后，只需更換刀片即可。因此，這種銑刀不僅刀片更換容易、使用方便，而且能保持刀刃廓形不變，加工精度較高。此外，它還具有較廣的適用范圍，如若要銑削加工不同型面的工件時(shí)，可更換與之相適應(yīng)線型的刀片。

3.2.3 組合式銑刀。它是由2把或2把以上的銑刀組合而成的。它的單元部分可以是整體式銑刀，也可以是裝配式銑刀。它能銑削加工不同型面的工件，如組合槽銑刀調(diào)節(jié)兩刀片間距可加工不同的槽寬，單片指接刀組合使用可加工指榫等。

3.3 確定銑刀的回轉(zhuǎn)方向

銑刀的回轉(zhuǎn)方向是由切削刀刃相對(duì)銑刀半徑的傾角決定的，銑削加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)刀軸的旋轉(zhuǎn)方向和工件進(jìn)給方向的相對(duì)位置確定銑刀的回轉(zhuǎn)方向。

3.4 選擇銑刀的選削用量

銑刀的銑削用量主要包括：

式中，V為銑削速度；D為切削直徑（mm）；n為銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）。

式中，z為銑刀齒數(shù)，n為銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）。

3.4.3 銑削深度。銑削深度ap一般是指待加工表面和已加工表面間的垂直距離。

對(duì)這些銑削用量的選用原則是：在保證銑削加工質(zhì)量的前提下，盡量選用較高的轉(zhuǎn)速、較大進(jìn)給量和較大的進(jìn)給深度等銑削用量（適合機(jī)床和銑刀性能的情況下），以提高銑削加工效率。特別地，銑削加工木材時(shí)，要充分考慮木材的銑削性質(zhì)，如每齒進(jìn)給量fz太小，可能會(huì)引起木材加工表面產(chǎn)生燒焦現(xiàn)象。一般推薦每齒進(jìn)給量fz=0.3～1.5mm。光潔表面的每齒進(jìn)給量推薦選用0.3～0.8mm，中等表面的每齒進(jìn)給量推薦選用0.8～2.5mm，粗糙或?qū)δ静募庸け砻鏇]有要求時(shí)每齒進(jìn)給量可選用2.5～5.0mm。

3.5 考慮銑刀運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性

選刀運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性影響著工件的加工精度和加工表面質(zhì)量，因此在木材的銑削加工過程中，應(yīng)盡力提高銑刀運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。由于銑刀在銑削加工時(shí)，在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和變形，進(jìn)而影響它的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。因此可采取以下措施來提高銑刀的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。（1）讓銑刀的回轉(zhuǎn)頻率避開它的固有頻率，以避免銑刀在銑削時(shí)產(chǎn)生共振，同時(shí)減少銑刀的不平衡重量，使其有良好的動(dòng)平衡，進(jìn)而提高它的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。（2）控制銑刀的伸出長度、直徑及結(jié)構(gòu)，使它滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的要求，特別是對(duì)于懸臂刀軸，必須控制好銑刀的長度和直徑。一般情況下，在滿足剛性和加工要求的條件下盡量選用較短的銑刀長度和較小的銑刀直徑，以減少銑刀重量，進(jìn)而提高銑刀的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

3.6 確保銑刀銑削加工的安全性

銑刀銑削加工的安全性主要考慮銑刀回轉(zhuǎn)速度、屑片厚度、成型銑刀輪廓形高度及裝配銑刀刀片厚度與伸出長度等方面的影響，具體如下：

（1）木材的高速銑削特點(diǎn)，既提高了木材的加工效率和加工表面質(zhì)量，同時(shí)也帶來了一些安全隱患。因此在高速銑削時(shí)，應(yīng)注意考慮銑刀的質(zhì)量、動(dòng)平衡性及其夾持牢固性。特別地，在銑刀回轉(zhuǎn)速度不小于9000r/min和刀具直徑不小于16mm的情況下，只能使用整體式銑刀或者全部由整體式銑刀組合而成的組合式銑刀，且對(duì)于焊接整體銑刀在使用前應(yīng)對(duì)它的焊縫進(jìn)行嚴(yán)格的探傷檢測(cè)。

（2）為避免在銑削加工時(shí)，銑刀進(jìn)給量過大而引起銑刀過載，必須依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和通用的安全準(zhǔn)則對(duì)屑片厚度及容屑槽進(jìn)行限制。

（3）成型銑刀的輪廓形高度值影響著銑刀的裝夾方法、切削工件厚度、銑刀直徑，不僅決定了銑刀的強(qiáng)度和剛度，而且也決定了銑刀對(duì)切削阻力的承受能力。所以必須對(duì)成型銑刀的輪廓形高度進(jìn)行限制，以保證銑刀的使用安全性。

（4）裝配式銑刀使用時(shí)承受著較大的回轉(zhuǎn)離心力，因此要確保其上的刀片夾持穩(wěn)固。具體地，相對(duì)刀片的伸出長度，對(duì)刀片的長度和厚度要進(jìn)行一個(gè)最小量的限制，只有在大于這個(gè)最小量限制的值時(shí)，才能允許使用銑刀，避免安全隱患。

4 木材銑削刀具材料及其磨損

木材銑削刀具材料主要有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金和金剛石等，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬硬質(zhì)合金和金剛石（特別是聚晶金剛石PCD）。硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于切削各種木材、膠合板、刨花板、高中密度板等不同材料，它不僅能實(shí)現(xiàn)粗加工也能完成精加工，同時(shí)，可用于加工各種材料的貼面板材。然而由于硬質(zhì)合金是脆性材料，其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都比普通高速鋼差很多，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。為此，國內(nèi)外的學(xué)者通過采取細(xì)化晶粒、熱處理、添加稀有金屬、添加稀土元素及添加涂層等有效手段，進(jìn)一步改善和提高了硬質(zhì)合金刀具材料的切削性能。金剛石由于相對(duì)硬質(zhì)合金有著更高的硬度、強(qiáng)度及耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，而越來越多地被用來制作成銑削刀具。目前工業(yè)上使用較多的是聚晶金剛石刀具（簡稱PCD），通常是把PCD做成復(fù)合片，用燒結(jié)或高頻感應(yīng)加熱釬焊的方法把它固定在硬質(zhì)合金上，然后再把硬質(zhì)合金焊接在基體上。PCD木工刀具的磨損量約是碳化鎢硬質(zhì)合金刀具的1/5左右，至20世紀(jì)90年代末期，PCD木工刀具的份額已占其總應(yīng)用的40%[9]。全世界每年用于木材加工的PCD刀具價(jià)值4000～5000萬美元，今后將以15%～20%的速度增長[10]。PCD木工刀具主要用于強(qiáng)化復(fù)合板、多層實(shí)木復(fù)合板、硬度纖維板和門等的加工。

木材銑削刀具的耐用度與刀具幾何形狀、木材和刀具材料、銑削用量、銑削方式等息息相關(guān)。一般情況下，刀具楔角越小、后角越大、木材比重小含水率高、刀具材料硬度強(qiáng)度高、開式銑削等，都會(huì)使刀具具有較高的耐用度。在實(shí)際銑削加工中，銑削用量的確定順序，一般是先選擇大的銑削深度，然后根據(jù)銑削加工條件和實(shí)際加工要求選擇最大的進(jìn)給量，最后根據(jù)刀具耐用度和機(jī)床功率選擇最大的銑削速度。木材銑削刀具的磨損過程可分為初期磨損、持續(xù)磨損和急速磨損3個(gè)階段，它的磨損原因主要有由木質(zhì)材料的礦物質(zhì)、樹脂、節(jié)子等硬質(zhì)點(diǎn)機(jī)械擦傷造成的磨料磨損；木材中氯化銨和刀具產(chǎn)生的氯氧反應(yīng)造成的高溫氯氧氧化腐蝕磨損；木材中的單寧、醋酸和多元酚化合物對(duì)刀具的化學(xué)反應(yīng)造成的化學(xué)腐蝕磨損；刀具材料各組分和木材中的有機(jī)弱酸、水溶液、多元酚化合物接觸構(gòu)成許多微水的原電池而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕磨損[11]。所以，提高木工銑刀的耐磨性主要有2個(gè)手段：一是提高銑刀耐磨料磨損的能力；二是提高銑刀抗腐蝕磨損的能力。國內(nèi)外的學(xué)者通過研究表明：采用激光淬火、高頻淬火和點(diǎn)接觸淬火的表面熱處理技術(shù)、滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲硼的滲層技術(shù)、鍍層技術(shù)以及涂層技術(shù)等手段能提高刀具的耐磨性[12-13]。

5 小結(jié)

木材在我們的生活中扮演著重要的角色，其銑削加工技術(shù)對(duì)它的廣泛應(yīng)用有著不可忽視的影響作用，而銑床和銑刀又是銑削加工中不可或缺的重要裝備，因此在木材的銑削加工過程中，針對(duì)不同的銑削加工要求，應(yīng)當(dāng)選用適合的銑床和銑刀，這樣才能高效、高質(zhì)地完成木材的銑削加工工作。同時(shí)，為進(jìn)一步提高木材的銑削加工技術(shù)，可對(duì)以下問題開展科學(xué)研究：（1）對(duì)木材的銑削加工機(jī)理開展深入的研究，特別是對(duì)需求量大、難加工的木材的銑削機(jī)理的研究。（2）開發(fā)功能更強(qiáng)大的木材銑削機(jī)床，解決復(fù)雜空間曲面的木材的銑削加工。（3）基于刀具磨損機(jī)理的研究、刀具CAD/CAM技術(shù)的研究和刀具刃磨技術(shù)的研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化刀具材料和結(jié)構(gòu)，提高刀具的耐磨損性能和使用壽命。（4）建立一整套參考標(biāo)準(zhǔn)，解決不同機(jī)床、不同銑刀和不同木材，所使用的合理的銑削參數(shù)，為木材的高效率、自動(dòng)化加工作出貢獻(xiàn)。