木工刀具的选用与改进措施

刀具的质量在很大程度上决定了木制品的加工效果和生产效率。木材加工企业在生产过程中应注意鉴别并选用优质的刀具,或者采取一定的措施改良刀具,以确保刀具发挥良好的切削性能。—Sandy Sun

刀具是在机械制造领域中被用于切削加工的工具。在切削木材时使用的刀具通常被称为木工刀具。

木材加工厂或家具制造厂在加工产品的过程中,当使用同一种机械设备时,配备的刀具不同,其切削质量及加工效率也是会有所不同的。也就是说,刀具的性能在很大程度上影响着木制品的生产过程及最终成品质量。

木材加工企业需要了解鉴别优质刀具的方法,并选用合适的、性能过关的刀具装配在机械设备上,同时也可以采取一定的措施改良刀具或者定期对刀具进行保养,这样既有利于提高加工效率与加工精度,同时还能够延长刀具的使用寿命,减少生产成本。

 

优质刀具的特点

优质的刀具应至少具备这几个特性:硬度高、耐磨性好、具备较高的强度和韧性、能承受高的切削温度、具备良好的抗氧化能力、工艺性能好且磨削加工性能佳。

那么哪些刀具具备这些优质特性?其关键在于制造刀具的材料必须质地优良,才能够确保刀具的品质过关。如果制造刀具的用材硬度高,通常其耐磨性也高;倘若它的抗弯强度高,那么它的冲击韧性也高。

在木工制造行业,刀具用材的工艺性非常重要,即需要判断刀具本身的材质是否有利于切削加工木材、能否经受得起热处理,是否不易变形等。因为把木质原材料加工成最终木制品或家具部件会经过多道工序,刀具的使用频率较高,如果刀具的材质缺少工艺性,将不利于木材加工工序的顺利推进,还会导致木材加工企业需要频繁更换刀具,增加辅料的支出。

现阶段,高速钢是比较传统的,也是应用最为广泛的刀具材料,它是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢,抗弯强度高,冲击韧性也高,还具有良好的可加工性。随着多种难加工材料不断地出现,研究人员对传统的高速钢进行改造,将其制成了高性能高速钢和粉末冶金高速钢,大幅度提高了由高速钢制成的刀具的性能。这样的高速钢刀具即使经过了多年的使用,甚至被用于高频熔炼设备,也不易被降低机械性能,更不容易因受热而变形。

其次是硬质合金,它的使用范围仅次于高速钢,具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能,特别是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的温度下也基本保持不变,在1000℃时仍有很高的硬度。使用硬质合金制成的刀具被广泛用于各类车床刀具或钻头。

此外,碳素工具钢,即含碳量在0.65%至1.35%的优质高碳钢也是制造刀具的常用材料之一。它主要被分为优质钢和高级优质钢。其中,高级优质钢可被用于制造机用刀具;如果只用于制造载荷小、切削速度低的手工刀具,使用优质钢就能够达到要求。碳素工具钢最大的优点在于刃口锋利、热塑性好以及切削加工性能佳,而且价格偏低。不过它的热变性较大,淬透性一般,热硬性也不是很高。当然,对于经营成本有限的生产企业而言,选用碳素工具钢制成的刀具也能够满足基本的加工需求。

值得一提的是,在木工领域,使用聚晶金刚石制成的复合刀片常被用于强化木地板、多层实木复合地板,竹地板和实木门等制品的切削加工。聚晶金刚石复合刀片是使用一定粒度的金刚石微粒作为表层,再与硬质合金作为基体衬垫相结合,在高温高压下烧结而成的复合烧结体,在使用过程中,不会因为多次切削材料而发生变形。之所以该刀片在木工行业得到了广泛应用,主要是因为其制成材料聚晶金刚石,它是一种利用独特的定向爆破法由石墨制得的材料,相较于天然的金刚石,其结构极为相似,虽然在硬度上略有逊色,但具有了更好的韧性、耐磨性和稳定性,而且该材料的晶体各向同性,相互间有很强的结合力。

总之,木材加工企业应全面考虑机械设备的加工能力、生产工序、切削用量、加工环境、客户需求、经营成本等多方面因素,尽可能选择上述提及的由优质材料制成的刀具,让木制品及家具零件的加工效率和质量得到更有效的保障。

 

刀具的改进措施

对现有的刀具,尤其是使用年限较长的刀具进行改良,可以使已有工具得到重复利用,多方面性能得到提升,同时还有利于降低木材加工企业引入新的辅料的成本。

改进刀具最有效的方法之一是对刀具进行涂层。选取刀具韧性较高的部分,以此作为基体,在该基体上涂覆一层、两层甚至多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层,这样能够有效提升现有刀具的综合性能。根据研究数据显示,近30多年来,刀具涂层技术经过了快速发展,涂层刀具已经得到了广泛的应用。涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在欧洲的西部地区,由于数控技术的进步,使用机械设备加工的效率非常高,再加上难加工的材料逐渐增多,涂层刀具更是以惊人的速度扩大了市场覆盖面。在新型的智能化数控机床中使用的刀具大多数都是涂层刀具。

与未经过涂层的刀具相比,涂层刀具能够实现更高的切削速度,显著提升了原有的加工效率。在切削速度长期保持相同的情况下,涂层刀具相比未经过涂层的刀具,其使用年限一般会更长。机械设备在运作时,其装有的涂层刀具的表面材料与被加工材料之间的摩擦系数较小,不仅延长了刀具的耐用性,切削力也被减弱(注:切削力是指在切削加工时,工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力),所以切削产品的精度以及产品的表面质量也得到了优化。现阶段,刀具涂层制备技术被分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类,有效解决了刀具材料中硬度、耐磨与强度和韧性之间的矛盾,刀片的断裂韧度、刀具的耐磨性、涂层与刀具基体之间的结合强度等方面都得到了极大的改善。当然,目前中国国内对于精密复杂刀具的涂层技术与发达国家相比仍存在着差距。

除了对刀具进行涂层之外,还有一种改进刀具的方法是使用加工冷却剂。当加工设备在进行切削作业时,刀具会高速旋转,与工件快速摩擦并产生大量的热量,这种热量不仅会降低刀具的使用寿命,还有可能损坏正在加工的工件。使用加工冷却剂能够冷却并润滑切削刀具与工件,起到更快地散热、提升切削速度、减少摩擦与刀具磨损的作用。需要注意的是,应尽可能选用无毒、无味,对人体无害的冷却剂,不然会对刀具、工件、加工设备及工作环境造成污染。

在未来,随着数控机床的进一步普及,客户对木制品的加工精度和效率提出了更高的要求,木材加工企业就必须选用更优质、更耐用的刀具。另一方面,研发更多技术用于改良刀具,以及进一步发展和应用刀具涂层技术也是非常有必要的。这将有利于产出更多精密、复杂、高性能、可用于高端数控机床的切削刀具,给木材加工企业更多选择空间。

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