浅析国外几种木材切削刀具技术【批木网】
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2016-03-24
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目前，我国已成为木制品生产大国。木工刀具行业的产品结构和发展模式在我国走进国际化竞争环境的关键时刻应该如何发展?发展的趋势是什么?通过对国外刀具理论研究的动向进行分析，我们就可以洞察未来新产品开发的方向，这也是我们新产品创新的源泉。没有新的理论作基础，不可能进行突破性的产品设计。同时，研究木工刀具的理论发展动向和未来木工刀具的发展趋势也具有重要的理论意义。笔者根据近几年国际木工刀具理论研究及发展动态，对木工刀具的研究成果介绍如下。
1木工圆锯设计理论的新成果
木工圆锯是木工机械最常见的切削刀具，它已经从纯粹的刀具产品向木工机械技术进步的标志性产品过渡，数控木工机械的普及提高对刀具提出了新的要求，先进检测技术的应用使木工刀具的控制和检测也提高到一个新的水平。现在，高性能、高寿命、高速度、重切削的圆锯机是锯机圆锯设计的基本要求，国产圆锯机已经打入国际市场，但我们的产品在技术上还没有和国际接轨。国外锯机主轴转速超过4000r/min的已经非常普遍，圆锯机工作台移动的速度最高可达80m/min，多锯片圆锯机的基本功能和质量已经和带锯机接轨。
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1.1避免圆锯锯片振动的新方法德国Kreimes教授实验成功了一种可以避免圆锯片振动的新型锯片，这种锯片具有不同交互变化倾角的锯齿，通过合理地选取倾角，减少了高速空转时发出的高且刺耳的噪声，这种噪声我们通常称其为“啸叫”。消除噪声是减少振动的第一步，德国在圆锯减振成果的基础上开始制定避免这种噪声的设计准则，如果这个标准变成欧盟的标准，将决定性地限制我国圆锯对欧洲的出口。
Kreimes教授假设旋转锯片的啸叫音是由于涡流反馈给锯片并引起锯片自激共振所致。虽然共振可以计算，但对旋转源，也就是对锯片涡流分离频率的测量则非常困难。他们针对这个问题建立了力学模型，通过模型和实验结合，找到了这些理论问题的求解方法。其方法是制造一个比例尺，按圆锯锯齿的几何形状，对圆锯锯齿建立模型，在高速旋转的圆锯周围流过的空气和圆锯侧面的摩擦有一定的雷诺效应。实验原始数据表明，同类锯片在相同的空转下，锯片雷诺数的流体循环通道是产生啸叫噪声的关键因素。这种大比例放大各种所需参数的研究方法是原始方法和计算机技术的结合，是实验科学和力学模拟的结合。在分析中，考虑了制造公差和表面粗糙度，通过流体流动的显形仿真，就可以测定啸叫涡流的分离频率和涡流动能。通过涡流的两个非矢量特征数标定噪声实验模型，综合考虑涡流分离频率和系统固有频率，使其转换成原始锯片振动的重要参数，提出啸叫涡流分离频率，丰富了圆锯片振动分析的基础理论。
Kreimes教授最后得出的结论是:这一研究过程需要判断固有频率和啸叫涡流分离频率是否相等或成整数倍，这是产生啸叫的一个重要假设前提，进一步的假设前提是外部产生的能量高于锯片的阻尼减振能力。这种定量振动分析方法的最终目的是为锯片研究和消除锯片振动提供一些设计准则，以保证圆锯切削的质量。
1.2圆锯锯齿的振动特性和残余制造应力分析
德国Denkena教授的实验室一直在进行圆锯锯齿的振动特性和残余制造应力分析。圆锯材料强度的增加往往导致残余制造应力增加、辊压困难及振动增加，而要求锯路变窄又必须增加圆锯的刚度。圆锯锯齿用于切削作业时，作用于刀具上的载荷是动态变化的，由于锯齿宽径比的原因，锯齿振动问题显得非常重要。锯齿的自振频率、残余刀具制造应力和整形处理产生的内应力对圆锯工作平稳性有重要的影响，避免共振频率发生是减少噪声的基本措施。固有频率的激振频率移动可以在锯齿制造中实现，也可以由辊压摩擦应力的作用来实现。目前，用立体氮化硼作为辊压摩擦部分材料经过实验验证是可行的。在德国，研究辊压材料的有Stehr博士、Chr.Pelshenke物理学博士、Garbsen博士及Glatzek博士。德国Jaroslav对圆锯涂层问题的研究也有丰硕的成果。圆锯辊压是圆锯研究的传统方向，日本的Yokochi对这个研究提出了他的一些新见解。
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1.3圆锯振幅和稳定性分析波兰学者Wasiclcwski一直在分析圆锯片在木材切割过程中的振幅。其分析方法是在利用特殊锯齿切割不同厚度切片的基础上建立统计模型。相对标准锯片，对特殊锯齿切割的切片厚度和整个锯片切割的切片厚度进行统计分析，得出统计结果。圆锯加工是木材加工的主要方式，俄罗斯Y·M·Stakhiev也在研究圆锯振幅与共振的关系，俄罗斯学者建议采用圆锯平衡槽改变振幅，以提高振动的稳定性和可靠性。日本Nobunk对圆锯带孔以提高振动的稳定性和可靠性的优缺点进行过分析，带孔圆锯的声学性能有改变，但性能的提高有待进一步研究，分析带孔消声器的优点和最佳阻尼材料的选取是该研究方向的重点。对于圆锯共振问题定量标注涉及振幅的计算和测试，东欧国家对此进行了深入研究。控制了振幅就可以减少圆锯噪声，他们测试的方式是采用声控谱频分析反馈控制的方法。圆锯加工中振幅和发热的关系一直没有很好地解决，由于振动的存在，圆锯切削的稳定性分析是难点，加拿大温哥华UBC大学的Schajer借助对木材和圆锯加工时相互位置的研究，分析了圆锯切削的稳定性。俄罗斯学者Sergey研究了圆锯空气静压导向机构，进行了空气静压导向新圆锯的运动分析。高速圆锯的动态控制研究是圆锯空气静压导向分析的关键。UBC大学的StanHutton教授论述了花键轴圆锯在不同转速下转动的动态特性，通过实验得到了空气静压导向高速花键轴圆锯的测量结果。他使用了不同的空气静压导向控制结构并进行了空转和切削实验。2004年，德国威力公司已经将空气静压导向圆锯机生产工业化，20多年的理论研究终于有了工业化的成果。
1.4圆锯锯齿形状的几何分析
锯齿下锯的位置和锯切处理过程几何尺寸的描述技术是锯切分析的基础理论。制材加工的经济效益在很大程度上依赖于下锯的质量，尤其在窄锯技术中，锯切的锯路减小，进给的速率提高，锯锋的程度提高，移动锯痕的偏移减少等都可以提高经济效益。应该在锯齿制作过程中计算出其工作状态，以发现齿形存在的问题。切割时齿的几何形状，其在锯锋上的位置(半径和轴的走向)和切割边缘的变形都是影响锯切质量的关键因素。锯的转动引起锯齿的变形也应该在计算机分析中给予考虑。
圆锯锯齿描述质量的几何特征可以根据记录的锯齿图像的数字处理来识别。现在的锯齿观察控制器可对圆锯齿几何形状和位置进行完全自动检查和描述，通过指针可准确描述切削的接触点。在通常情况下，只需衡量锯齿的静态特征就可以研究它的基本性能，因此可以通过手动的方法描述圆锯静态齿形，而控制器检查锯主要用于动态特性的分析。
2锯条加工稳定性和新材料的应用
由于木材资源的有效利用和木材表面切削技术的进一步提高，具有稳定性能和平整锯口的锯切技术日趋完善，高性能的锯机和锯条销路日益变好。锯条切削过程所产生的热量以及工件与锯条之间摩擦力的分析是锯条设计研究的主要方向。普通锯条锯齿底部在冲齿过程中会产生密布的微观裂纹，有些微观裂纹在一定时期和条件下会延伸到其中心位置形成宏观裂纹，据此可以说明锯条上始终都有裂缝，无论采用什么工艺措施，微观裂纹是不可避免的。当采用薄锯口时要求锯条稳定，传统的锯条设计方案都有其局限性。采用稳定锯切锯条需要改进锯条的稳定性控制系统以及提高在锯条局部热量变化时防止产生跳跃的控制水平。由于其特殊的控制方式，并且引进激光监控和自动调整，系统可以保证安装在锯轮上的锯条始终都在指定位置，因而能降低锯条的厚度。稳定锯条的厚度比传统锯条至少可以薄20%，因此可被用在优化切断机上来切断高密度木材和铝。
另外，防尘控制成为新型带锯机设计的重要因素。目前国外正在试验一种冷却润滑剂，其在锯切过程中可减小切削力，提高切削质量，延长锯条寿命，以此保证高质量完整最佳锯切周期的时间（保证锯条切削8h）。
德国罗伊特林根市的Sagetechnik无线设备公司与罗森海姆应用科学技术大学联合研制了一种新式弧线锯切用的动态曲线锯。由于动态曲线锯技术的应用，产生了锯切曲线的特殊专用锯条。各种圆弧状的曲线锯可以适应各种自然弯曲板材的割锯。该系统还可以实现完成随弯就弯的锯切，其由扫描摄像系统提供原木或板材的三维数据，借助于这些信息，同时考虑到客户对终端产品的特定要求，其可基于视频优化工具软件计算出锯木时最佳的下锯位置，而且锯木时的进给速度可达200m/min。同直线锯木相比，其收益率可以增加20%。锯切数据可由图纸提供，进给速度的大小取决于木材表面的曲线曲率。该锯条已在瑞典、澳大利亚及德国的原木加工中得到应用，这种曲线锯切技术的发展是制材技术的突破。
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著名的Kanefusa公司开发了切削细木工的多晶金刚石（即PCD）锯条，这种锯条是细木工锯切大批量生产中使用的高性能锯条，是等边尖端高度在4～6mm之间的PCD锯条。该锯条针对大型的木材加工业用户，特别是有一定先进性设备的企业和公司才能采用。这些细木工PCD锯条很昂贵，售后服务也存在一定问题。细木工PCD锯条模仿牙齿的切削原理，可用于竖直板材锯和台锯切割复合板，以及含有三聚氰胺的MDF板材、纸和其他胶合板结构的板材。3木材铣削刀具的新进展
3.1以螺旋切削代替随意切削的一种铣刀
德国德累斯顿技术大学的Roland教授在现代螺旋铣削刀具的设计上有很高的造诣。现在的铣削刀具有许多缺点，尤其是铣削时产生噪音和粉尘。高速铣削伴有高速飞溅的木屑片，这就要求设备必须有木屑片收集系统。铣削刀具外表面有各种复杂的形状，成型铣削时在工件上留下刀具曲线轨迹和压缩是不可避免的问题。Roland教授在木材铣削加工中采用一种新型的旋转铣削刀具，尽可能地降低刀具外轮廓的复杂曲面，以减少刀具形状变化所造成的其它缺陷。在此设计思想的指导下，将切削铣刀刃设计成类似旋转轴的螺旋线，其坡度为1∶10，也就是采用一个非常大的倾角。这种刀具在旋转时刀刃有两个复合运动，切向运动对撕裂切削有影响，而轴向则对切下的木屑片进行传送。要想提高机器性能，只要调整刃角就可以达到非常好的效果，这是一个非常有效的方法。Roland教授对这一切削机理进行了详细的理论阐述。
3.2成型铣削技术的发展
萨尔滋伯格应用科学大学的Petutschnigg教授对成型铣削进行了深入研究，并对窗框制造和窗框切削方案的优化进行了理论上的验证。Petutschnigg教授阐述了成型铣削的分层理论，导出各层切削的优化算法公式。对固定长度层采用通用的刀具，把成型曲线整合拼装在一起组成成型层，对成型层和通用层加以区分。接下来对不同质量水平的各层做了分析，例如对覆盖在表面的高质量层和中间芯部的低质量层分别设置不同的刀具。这些层的价值区别很大，其中，原材料层的优化切削方案中应用了图形学原理对模型进行优化计算，并应用了两个不同的目标函数。目标函数使所加工层的切削价值达到最大值，且同时考虑了产品的价值。
指形铣刀研究也有新的进展，这种铣刀的用量相当大，因此减少其费用是研究的关键，如尽可能减少指形结合部位所需的费用而制成装配式结构，在切削部分采用优质材料，刀柄采用普通材料和廉价的加工工艺等。指形铣刀在切割机上应用时对刀刃性能有一定的要求，国外在指形铣刀表面广泛应用涂层技术，成倍地增加了刀口的寿命，刀头做成装配式可以翻转使用，这样每一副刀具的寿命又增加了一倍。由于其较小的尺寸及楔形的几何形状，使其在重新研磨之后仍可保持原先的切割功能，进一步提高了刀具耐用度。刀具的装配采用专用设备，有效地缩短了换刀与磨刀的时间。
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3.3厚金刚石镀层钎焊铣削刀具研究日本学者在铣削刀具的刀刃锋利处镀上厚金刚石镀层，厚金刚石镀层刀块钎焊技术是该铣削工具研究的关键。厚金刚石镀层切削性能的研究在Kazunobu研究室取得非常好的效果。专家们注意到，把厚实的金刚石镀层刀块钎焊在铣削刀具的切削刃刀尖上，可制成刀刃锋利、使用寿命长的木材铣削刀具。用这样制作的厚金刚石镀层铣削工具同先前研究中的金刚石刀具进行比较，证实了工具切削刃的刀尖圆度变小可以大幅度提高加工精度，并且工件的表面粗糙度等级大幅度提高。刀刃锋利的厚金刚石镀层钎焊刀具、金刚石涂层刀具与非金刚石刀具相比，除加工精度高外，切削功率消耗也小得多。此外，对这三种工具的使用寿命测试表明，其磨损级数上的差别也是惊人的，可以相差百倍以上。从切断检验的结果来看，刀刃锋利的厚金刚石镀层钎焊铣削刀具的切削性能在目前铣削刀具中具有绝对优势。
3.4数控刨槽刀具及切削监控系统技术
日本在CNC的刨槽机刀具研究上有一定成果且已在工业上使用。刨槽机刀具加工工况比较恶劣，刀具磨损较快，导致在木质材料表面上频繁出现飞边。这些飞边对产品的质量影响很大，所以急需一种能够自动监测它的系统来解决这个问题。日本在这项研究中开发了一种监控设备和一个系统，该监控设备安装在CNC刨槽刀装夹机构上，其为可靠性很高的CCD视觉传感器，而系统可以在铣削过程中监控飞边的同时自动去除飞边，该系统已通过实验证明具有实用性。
日本学者Fuji wara在采用3D检测表面粗糙度上进行了深入研究，提出了新型的非接触感应法，并制定了一套评价方法。这些理论的提出，使木制品表面粗糙度的检测系统化。利用自控检测技术实现加工过程的在线检测是木工机械机电一体化技术的新发展。日本岛根大学在完成带锯的自控、激光、声控在线检测后，又开始进行圆锯的在线检测。日本在切削检测方面处于国际领先地位。
3.5超细硬质合金在木材切削加工应用中的新进展
奥地利学者提出了超细硬质合金的超细等级问题，超细等级考虑的粒度范围为0.2～0.5μm。虽然应用的粒度范围不同，但这些新的超细硬质合金都表现出充分的硬度与韧性比、横向拉伸强度大以及制成的切削刃锋利等特点。边缘几何形状对木制零件横断面质量的影响非常大。在精细与超细等级之间，微观结构特点和相关机械性能的试验结果区分非常显著。与标准的显微等级相比，超细等级的切断检验表明了新等级的优越性能。
4高速切削刀具与技术
A.Kisselbach教授在高速切削技术方面的研究有一些新的进展。高速切削通过提高切削速度来减少加工时间并同时改进切削质量。高速切削提高了CNC机械的生产力，是木材加工中最有效益的加工方法之一。高速切削除了要有合适的机器设备外，最需要的是特殊刀具来辅助解决高速加工问题。传统的镂铣机主轴转速为18000r/min，而高速切削主轴转速则达30000r/min甚至更高。切削进给速度同主轴转速是成比例的，因此主轴转速加倍进给速度也要加倍。
高速切削镂铣机专用钻头的设计是他们研究的重点。钻头速度界限和极限对钻头的夹具系统有一定要求，弹簧夹嘴定位精确是高速刀具稳定加工的关键，而牢固控制主轴加速度的动态力和保证切削质量与安全是最重要的问题。在实验测试中，弹簧夹嘴的动态稳定性能最佳，因此他们建议刀具转速在24000r/min以上时都应采用弹簧夹嘴。高速刀具的切削速度通常受刀具直径限制而不是主轴直径的限制，高速切削中使用刀具的设计直径较小，允许主轴转速高，因此具有较高的切削性能。
高速切削时材料去除率大，在普通切削中这不是问题。高速切削要保持机器的绝对清洁，不间断生产的先决条件是灰尘流动控制系统和碎屑导引部件能确保连续收集碎屑。在高速切削中，如果不考虑碎屑的流向和合理的收集，往往可能出现大的事故。德国先进的木工机床依靠高速切削和高速钻孔操作以及大量的自动换刀系统，通过高速切削CNC机床的改进使生产力能增加到100%。
工业化高速切削刀具都需要动平衡，加拿大Turcot教授一直在从事高速切削刀具的动平衡研究，刀具失衡在木材加工中非常危险，因此高速切削刀具的动平衡非常重要。由刀具不平衡所引起的振动可使工件表面粗糙度等级下降，损坏轴承或其他重要零部件。欧洲对平衡特性有确定的等级，以这些等级为基础，木材工业理论上需要G2.5或欧洲标准中的EN847-1，建议使用G6.3、G16、G40。在这些标准中，建议的标准在某些情况下不能满足木材工业的需要，而G2.5的平衡特性在技术上既不实用，也不容易实现。
日本清水大学对木材砂轮高速切割的机械特性进行了分析，对柳杉进行了高速磨削测试，从应力—应变图中获得该木材屈服点的参数，并把这些参数用于木材高速磨削的参数设计。高速磨削参数之间的关系是基于木材四个应力屈服点参数研究出来的，随高速磨削材料塑性变形的增加而产生的压缩屈服应力的变化对研究高速磨削机械参数是非常重要的。从实验的结果可以推断，木材高速磨削砂轮切割的屈服点是压力—变形图的重要信息。
5刀具磨损与腐蚀研究
波兰Porankiewiez教授对在刀具高温腐蚀和存在矿物杂质情况下，木材切割后高速钢工具的磨损进行了研究。他们分析了切削五种木材以后变钝的高速钢切割工具，考察了木材的氢质含量、矿物质含量、抗高温强度和密度等因素在各不相同的情况下对刀具的磨损程度。硬木对刀具磨损和木酸对刀具的腐蚀很常见，任何木材都可能对刀具形成氢质磨损。氢质磨损对木材工业的损害是相当严重的，其磨损的主要部位是在刀具尖端的局部。波兰的S·M·Klaszewsk研究了人造板切削过程中铣刀的表面磨损阻力，研究了高速钢刀具加工MDF时的磨损问题。
在人造板加工中，加工MDF时的刀具磨损问题一直受到国内外学者的广泛重视，加拿大KO.Pol.Lin对加工MDF的刀具磨损问题进行了研究。研究不同的刀具材料在实际人造板加工中的磨损和腐蚀是人造板加工刀具材料学新的分支。要研究木工刀具的磨损和腐蚀问题，必须开发具体研究项目的测试台，并要考虑木材在刀具加工中的所有特性，进行大量的实验。研究磨损和腐蚀的目的是显示加工材料的构成(钢或碳氢化合物)在接触过程中化学性能的变化。从冶金和化学观点对木材加工中刀具磨损和腐蚀的影响进行研究具有重要的意义，研究考虑到刀具材料的两个种类(碳化物和钢)。对于碳要测试化合物黏合剂各种各样的构成，对于钢要测试几种状态下刀具构成的磨损和腐蚀机理。通常所用材料应在木材刀具试验台上进行疲劳试验，利用测试台可以了解工具的退化、磨损和腐蚀以及木材切割过程金相组织的变化。
德国Hans-werner教授用亚微型陶瓷刀具试验加工木质材料。新的低于μm级的三氧化二铝制陶技术在机械特征和切割性方面远远优于目前通常等级的制陶技术。由于三氧化二铝制陶的特别微细结构，沿刀尖切割方向破裂的过程被限制在微观区域内，刀具寿命明显提高，但使用这种制陶工具加工木质材料还没有进行工业化试验。三氧化二铝制陶刀具研究的目标是在此过程中对低于μm级制陶技术的性质做系统的分析，通过该陶瓷制造方法开创木材加工新型刀具的制作。三氧化二铝制陶刀具的试验表明，陶瓷边缘刀刃的无瑕疵处理和优化磨削与工具的技术性能一样重要。
奥地利Christopher教授进行了框锯切割过程锯条磨损的检测，框锯切割过程的研究主要是锯条磨损的检测。他们主要考虑切割的能量消耗和进刀力大小这两个方面。刀具切削能量消耗的研究采用无线测试仪器进行检测，而进刀力的测试采用专用试验台。进刀力的研究是在恒定的切割速度下完成的。框锯锯条的切削过程是通过往复的运动将材料锯切成材，锯条的宽度比被切削材料锯口的宽度小，所以切割边缘的数量决定能量损耗的数量级。在此检测过程中检验了各边缘摩擦能量的损耗，研究了锯条磨损处温度的作用。
6结束语
通过国外刀具设计理论研究的成果可以预测我国刀具行业的发展，使我国木工刀具行业有先进技术可以借鉴，以促进行业效益的提高。我国木材加工刀具的理论研究任重而道远，研究的深入程度及层次充满机遇和挑战，企业和高校只有采取必要的对策，抓住机遇，扬长避短，才能在经济全球化和理论研究国际化的进程中创造辉煌。
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