 切削加工是木材工业生产中最基本、最广泛、最重要的工艺之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。随着木材工业发展，各种木质材料、木塑材料、秸秆人造板、贴面板、集成材（含竹子集成材），尤其是三聚氰胺浸渍纸贴面板、PVC贴面板、Al2O3强化贴地板、亚克力（ACRYLIC）等材料越来越多地用于家具、门窗、地板、墙板等领域，某些材料对切削加工带来了很大的难度。简单的切削工序、常规的刀具结构和普通的刀具材料难以胜任或根本无法实现切削加工。另外，随着木材工业技术装配的发展，人造板生产设备、制材设备、家具制造设备和地板等木制品制造设备朝自动化程度高、功能全、进给快和生产效率高等方向发展。这两方面的发展促进了切削刀具的发展与进步，出现了不少新型的木工刀具。 套装铣刀是刀体中心具有安装孔，通过螺钉、螺母或轴套等附件装夹在刀轴上的铣刀。为了满足设备、切削对象、功能和工件粗糙度的要求，近年来，套装铣刀得到较快的发展，出现各种结构和类型的套装铣刀，下面介绍几种常用的新型套装铣刀。 1 高效排屑铣刀 切削加工过程都会产生切屑，切屑量随着铣削深度、宽度和进给速度的增加而增大。切屑不仅造成了环境的粉尘污染，还会因静电吸附在工件表面，影响后续工序的实施。为此，需要采用静电除尘设备清除工件表面的粉尘。生产单位都希望切屑从工件上分离后能全部进入吸尘口被抽走，达到环境友好、清洁生产的目的。 切削区材料在高速回转的刀具作用下从静止状态变为不同粒度的切屑高速运动状态，尽管切屑流线速度衰减迅速，但切屑离开刀具刃口瞬间线速度高达80m/s，而气力吸尘的气流速度通常为28～32 m/s。切屑流的线速度只有小于气力吸尘的气流速度，切屑才能被吸走。传统套装铣刀的刀体上没有设置导屑槽、挡屑板，吸尘罩内没有设置切屑引流板和切屑缓冲区，切屑是在没有控制的情况下四处飞散，气力吸尘装置只能把刚离开工件的一半切屑吸走，余下的切屑需要经过多次循环或抽走或残留在机床上。  高效排屑铣刀及吸尘罩如图1所示，是一种刀具与吸尘罩结合的高效除尘系统（DFC系统，Dust Flow Control）。高效排屑铣刀是根据切屑流空间运动特征和气流动力学原理，在满足铣刀功能的前提下，在刀体设计导屑槽、挡屑板，定向引导切屑流的运动方向，使切屑飞入吸尘罩的缓冲区（减速区）。高效吸尘罩是根据刀具形状、尺寸、旋转方向和切削方式等因素进行设计与制造的，它由罩体、前舌板（可调）、后舌板（可调）、引流板、缓冲区和吸尘口等组成。刀体上的挡屑板阻断切屑的运动，导屑槽定向引导切屑进入吸尘罩的缓冲区，切屑流运动速度衰减迅速，低于气力吸尘的气流速度，因而大部分切屑能进入吸尘管道输送到料仓。据报道，高效排屑铣刀与高效吸尘罩结合使用，能吸走90％～95％的切屑，防止切屑在吸尘罩内二次循环或多次循环，从而实现高效除尘的目的。 在满足铣刀功能与工件表面切削质量的前提下，应尽量考虑除尘效果。在设计或选用刀具，建议考虑以下几点： 1）逆铣方式的除尘效果比顺铣好； 2）斜齿（螺旋齿）圆柱铣削的除尘效果比直齿圆柱铣削好； 3）圆柱铣削的除尘效果比端面铣削好； 4）单片铣刀的除尘效果比组合铣刀好 由于设备刀轴数量与布置的限制和工件廓形需要，有时不得不采用除尘效果最差的组合铣刀。当大直径的刀具阻挡了小直径的刀具齿槽时，需要在大径刀具的刀体上为小径刀具设计排屑槽。 2 快速装配铣刀 装配铣刀是刀片通过螺钉和楔块等附件固定在刀体上的铣刀。装配铣刀种类很多，根据刀体结构，装配铣刀分为方刀头和圆刀头；根据螺钉施压方向，分为径向施压和弦向施压；根据刀体所受的应力，分为拉应力和压应力；根据楔块数量，分为无楔块（螺钉直接夹紧）、单楔块和双楔块；根据刀片定位方式分为无定位、沟槽定位和孔定位；根据刀片形状与结构，分为普通刀片、转位重磨刀片和转位非重磨刀片。普通的装配铣刀在更换或重磨刀片时，通常需要将铣刀从刀轴上取下拆装刀片，并用对刀器调节各刀片的伸出量。这不仅浪费时间，而且很难保证刀体上所有刀片在同一切削圆上。因而，开发快速拆装和定位的装配式铣刀对提高产品品质和设备的利用率具有十分重要的意义。 图2所示为快速拆装转位铣刀，用于四面刨的最后上水平刀轴或最后下水平刀轴，对工件表面进行精刨。它由刀体1、夹紧楔块3、沟槽定位块4、刀片2和夹紧螺钉5组成。在加工易产生挖切的材料时，还要配置不同结构的断屑齿。 刀片为沟槽定位的重磨转位刀片，磨损变钝之后旋转180°，再用另一刃口。两个刃口用过之后，刃磨刀片前刀面，然后继续使用。刀片初始厚度为3mm，可重磨区为1mm。  刀片拆装时，无须把铣刀从刀轴上取下，只要将夹紧螺钉松开，楔块向下移动，定位块松动，刀片就能沿轴向抽出或径向取出，大大节省了更换刀片的时间。 刀具设计时，考虑了刀片重磨前刀面后，切削圆半径不变的特点，它是通过精确的定位面来确保的。刀片装在定位块上，旋转锁紧螺钉，楔块向上移动，使得定位块带着刀片沿着定位面移动。刀片在半径方向的位移正好补偿了刀片修磨后刀片在半径方向上缩短量，从而确保刀片重磨后刀片刃口自动处在重磨前的切削圆上。 转位刀片通常是整体的硬质合金（钨钴类）。当所有刃口磨损变钝之后，刀片就失去了其功能。俗话说，好材用在刀刃上。新型转位刀片的刃口处采用纳米级硬质合金，其他部位采用钨钴材料。一来可以降低刀片成本；二来可以提高刀片的强度与冲击韧性。 3 T形槽定位的装配铣刀 装配式成形铣刀一般都采用螺钉和楔块等零件夹固刀片。需要花较长的时间，调节刀片径向和轴向位置，保证刀片的径向、端向跳动在允许的公差内。装在常规结构刀体上的成形刀片只能装夹对应的刀体上。这对于工件廓形经常变化的家具企业，需要配置不同规格的刀体。另外，常规成形刀片均是重磨后刀面，需要仿形工具磨床来保证刀片的精确形状。因此，一些厂家宁愿选用焊接式成形铣刀。  图3所示的新型装夹的成形铣刀，其刀体、刀片结构突破了传统的装配成形铣刀的设计。在刀体上加工了“T”槽，刀片也是“T”结构，刀体上“T”槽与刀片后刀面平行。刀体上加工了高精度的定位面，刀片前刀面通过螺钉和销钉施压，紧贴在定位面上。重磨前刀面之后，刀片在螺钉的作用下沿着“T”槽移动，补偿刀片在半径方向的缩短量，从而满足切削圆直径不变的特点。这种铣刀具有以下特点： 1）刀片可重磨，重磨次数多； 2）重磨后，刀具前、后角不变； 3）刀片可以安装在不同直径的刀体上； 4）切削圆恒定； 5）刀片无夹持应力； 6）刀片更换迅速； 7）铣削深度大，适合加工软材和人造板。 4 弦向夹紧装配铣刀  图4所示的铣刀为弦向夹紧沟槽和孔定位的高精密的装配铣刀。刀体1上具有轴向定位销7和径向定位凸棱3，成形刀片5上具有与之对应的定位沟槽和孔，刀片夹持楔块6具有螺纹孔，楔块端部为半圆柱体，刀体对应位置有与之配合的半圆孔，楔块可以小范围内转动。刀片5通过螺钉4、楔块6固定在刀体上，刀片定位沟槽和孔分别卡入刀体上的径向定位凸棱3和定位销7，达到轴向与径向定位的目的。可见，定位精度取决于刀体与刀片的制造精度。为了达到高精密的定位要求，刀体需要在高精密的数控加工中心上加工；成形刀片要以刀片上的沟槽与孔为基准进行修磨。归纳起来，这种新型铣刀具有以下特点： 1）刀片是不重磨纳米级硬质合金刀片； 2）切削圆恒定，刀具前、后角不变； 3）刀体形状与刀片形状一一对应； 4）定位精度高； 5）楔块上可以设计断屑齿； 6）适合加工实木。 5 螺钉固定的装配铣刀  图5所示的铣刀为螺钉直接固定的装配铣刀。刀体1上具有轴向和径向定位凸棱，成形刀片2上具有与之对应的定位端面和沟槽。刀片2直接通过螺钉3固定在刀体上，螺钉4为轴向定位基准。归纳起来，这种新型铣刀具有以下特点： 1）结构简单，适合纤维板与刨花板； 2）刀片是不重磨纳米级硬质合金刀片； 3）切削圆恒定，刀具前、后角不变； 4）刀体形状与刀片形状一一对应； 5）齿槽大，排屑顺畅 6 快速液压夹紧装配铣刀 图6所示的铣刀（或称刨刀）是一种新型的快速液压夹紧装配铣刀。通过液压油枪和刀体1上注油嘴4，向刀体腔体内加入油脂，使刀体腔体内壁膨胀，消除铣刀中心孔与刀轴的配合间隙，达到锁紧铣刀的目的。松开卸压螺钉5，油脂排出，压力卸除，铣刀就可以从刀轴上取下。刀体1与刀片2接触的表面6分别加工了相互配合的锯齿槽，使得刀片径向调节方便快捷。动平衡之后，刀体上的齿槽与楔块3各自编号（号码相同），使楔块总是放入其应在的齿槽，维持动平衡精度。该铣刀主要有以下特点： 1）适合高速进给的四面刨床，进给速度可达300m/min； 2）刀片更换和调节时，刀体无须从刀具拆卸，也不需要对刀器，方便快捷； 3）刀片可以重磨后刀面，并维持初始后角； 4）切削圆恒定； 5）适合加工软材，如松木、杉木等树种。 7 螺纹轴套调节铣刀  木制品加工中经常遇到地板、墙板、门框、门板和装饰木线形等复杂工件截形。当工件为单面截形，可以采用铲齿铣刀或尖齿铣刀；当工件为双面截形且存在与铣刀轴线垂直的边或圆弧时，如地板的榫槽和榫头，为了保证铣刀修磨后满足工件的尺寸精度和配合精度，必须用组合铣刀用来加工。 组合铣刀由两把或两把以上的铣刀组成。单片铣刀可以是铲齿铣刀，也可以是尖齿铣刀；可以是整体铣刀，也可以装配铣刀。为了保证组合铣刀重磨后工件截形不变，组合铣刀一般设计成可以调节铣削宽度，以补偿刀齿重磨后廓形的变化。 组合铣刀常采用自身拼拢、垫片和螺纹套筒三种方法调节铣削宽度。前两种方法都需要将刀具从刀轴拆卸下来，才能调节铣削宽度。螺纹套筒也是一种常用的调节方法，但图7所示的金刚石组合铣刀是一种新型的液压螺纹轴套调节铣刀，它由液压螺纹轴套、铣刀1和铣刀2组成，而液压螺纹轴套由螺纹轴套、螺母、罗盘、定位销钉和夹紧螺钉构成。铣刀1通过螺钉固定在液压夹紧轴套上，液压轴套端部具有细牙螺纹，与之相旋合的调刀罗盘能调节铣刀2的上下位置。调刀罗盘的刻度为0.01mm，调节精度高。 调刀时，首先松开液压夹紧轴套的施压螺钉，然后松开调刀罗盘的夹紧螺钉，罗盘便可转动。顺时针转，地板榫头厚度变小；反之，榫头厚度增加。刀具报废之后，液压螺纹轴套还可以继续使用。 8 金刚石涂层刀片 高速进给设备及高自动化程度的生产线，要求刀具更换频率低、换刀时间短。因此，要求刀具拥有更高的耐用度。目前，装配铣刀的刀片一般采用硬质合金，但耐用度远不如金刚石。在同等使用条件下，金刚石耐用度是硬质合金的80～360倍。金刚石具有极高的硬度和极好的化学稳定性，具有耐强酸和强碱的能力，但韧性很差。若以韧性较好的刀具材料为基体，涂覆一层硬度高、耐磨性高、化学惰性好的涂覆层，使刀具既具有一定的强度和韧性，又具有很好的耐磨性和切削性能，就满足了刀片高耐磨性的要求。金刚石涂层刀片不失为一种理想的抗磨手段。 1995年日本Takao等用CVD法将金刚石薄膜涂在硬质合金转位刀片的前刀面(涂层厚20μm)，进行刨花板的切削试验，结果表明涂层剥落是致命的缺点。一旦涂层没有剥落，刀具磨损几乎没有变化，一直维持在40~50μm。笔者于1995年研究了金刚石涂层硬质合金转位刀片，进行中密度纤维板的铣削试验。研究发现金刚石薄膜均有程度不同的剥离，但未剥离的薄膜起到了堤岸保护作用，降低了基体材料的磨耗，因而刀具耐磨性提高了近一倍。 随着涂层工艺与设备的改进，金刚石薄膜与基体的结合力进一步提高，薄膜剥离将会到控制。目前，已用金刚石涂层硬质合金材料制造加工强化地板的刀具（精修刀），用于切削强化地板表面的Al2O3耐磨层，效果良好。然而，CVD金刚石多晶薄膜的纯度很高，硬度（HV9000~10000）接近天然金刚石，可加工性很差，常规机械加工或电火化腐蚀都难对其实现加工。故金刚石涂层硬质合金材料适合制造不重磨的转位刀片。 在装配式木工铣刀结构中，为了提高刀片装夹速度和定位精度，现较多地采用了不重磨刀片或转位刀片。在随进口设备配备的刀具中，50%左右的为不重磨或转位装配式铣刀，如封边机、双端铣、四面刨和CNC加工中心等木工机械的装配式铣刀上，不乏安装了不重磨或转位刀片。因此，金刚石涂层硬质合金刀片在木工刀具领域内，有着广阔的应用前景。 9 结束语 木工套装铣刀的研制和开发依托于切削对象、产品的生产工艺和制造设备等方面。在此基础上，逐步完善刀具自身的结构和耐用度。近十年来，刀具研究人员在刀具装夹、刀片夹固、切削噪声、刀具材料和切削过程中的物理现象等方面进行了研究，并取得了一些成绩。 作者:曹平祥（南京林业大学木材工业学院，南京 210037） (本文系作者个人观点，不代表一点资讯的观点和立场) |
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