木材銑削加工技術

銑削是木材切削加工領域的一種高效率的加工方法，影響木材銑削加工的因素有很多。在闡述木材銑削特點的基礎上，介紹了木材銑削機床和木材銑削刀具的選用方法，並對木材銑削刀具材料及其磨損進行了討論，最後指出了木材銑削加工技術待進一步研究的內容。

在木材切削加工領域，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。隨著人們對木製品傢俱的更大需求及對加工效率的更高要求，銑削加工在木製品加工中的應用日益廣泛。因此，瞭解和研究木材的銑削加工技術具有重要的實際意義。

1 木材銑削特點

包括實木、各種木質人造板和木質複合材料等木材，非均質性和各向異性是它們較為顯著的共同性質[1]，其主要的銑削特點有：

（1）木材的非均質性和各向異性，使得木材的力學性質與銑削方向密切相關，銑削加工時，不同的銑削方向，木材的應力和破壞載荷也不同，所獲得的切屑形態和工件表面質量也有所不同。因此，在木材的銑削加工過程中，針對不同的銑削方向、切屑形態和表面質量等實際銑削要求，需要選擇不同結構的銑削刀具。

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

（3）木材耐熱性比較差，當溫度超過110℃時，容易使木材產生焦化現象，因此銑削加工時應控制好木材的溫度。

（4）木材適用於高速銑削，這是因為高速銑削時，切屑在沿纖維方向劈裂之前就會被銑刀切掉，從而可以使木材具有較高的幾何精度和表面粗糙度，同時木材的表面溫度也不會超過其焦化溫度[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、溫度和溼度等等都可能會產生不同的能耗，也可能會產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域和材料密度對銑削力的影響；B Porankiewicz[5]研究了不同木材的微觀結構和木材密度對刀具磨損的影響；曹平祥等[6]通過對MDF切削力的影響因素進行了試驗研究，指出含水率、密度與切削力有很大的關係。

2 木材銑削機床

木材銑削機床是木材切削加工中用途最廣的設備之一，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床上進行的 [7]。木材銑削機床的種類繁多，針對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，如針對直線形型面零件的銑削加工，可採用刨床來銑型加工，也可用下軸式銑床進行銑型、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，如實木桌椅、沙發等具有曲線型的實木傢俱，採用靠模銑床來加工，生產效率較高；畫框、桌椅的座靠板及櫃板等寬面及板面零件的銑削加工，一般在迴轉工作臺自動靠模銑床或鏤銑機上加工；對於彎腳、老虎腳等複雜外形零件的加工，可採用成型銑刀在靠模銑床上進行加工，其中銑刀的刀刃曲率半徑、銑刀與工件之間的複合相對運動以及樣模的製造精度都會影響零件的加工精度；成形銑削和雕刻，可採用鏤銑機來加工；高效、高精度、大批量、多品種、複雜型面的木材銑削加工，可採用數控鏤銑機或數控加工中心來完成。近年來，隨著科技和經濟的發展，越來越多的企業使用數控鏤銑機和數控加工中心來加工木材，以此滿足人們對現代傢俱和木製品的短週期、可定製、高質量的需求。

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。它廣泛應用在各類銑床、鏤銑機和數控加工中心上，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所述，針對不同的木材材質、銑削方向和加工表面質量要求等實際銑削加工限制，所選用的銑刀也不同。銑刀的影響因素有很多，如重量、結構、幾何尺寸等等，對於銑刀的選用，主要從銑刀技術參數、銑刀結構形式、銑刀迴轉方向、銑刀切削用量、銑刀運轉穩定性及銑刀加工安全性6個方面來綜合考慮[8]。

3.1 選用銑刀的技術參數

根據所加工工件的要求，選擇銑刀的外徑、加工厚度、中心孔徑、刀刃數、迴轉方向、迴轉速度、進給速度、夾持方式、刀具材料及刀具角度（前角、后角、楔角）等相關的技術參數。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°，其中銑削軟材時取前角2 5°～3 5°、楔角30°；銑削硬材時取前角10°～25°、楔角40°。

3.2 選用銑刀的結構形式

根據所加工木材的材料性質及其實際加工要求，兼顧技術的適用性和經濟的合理性的基礎上，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，以硬質合金為刀刃，經釺焊而成。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°。這類銑刀的最大優點是製作簡便、價格實惠，但是用鈍後雖然可以採用刃磨刀刃前刀面的方法來進行開刃，然而經過多次的刃磨以後，不僅會減少它的切削圓直徑，而且會改變它的線型弧度，進而影響它的銑削加工精度，因此這種銑刀比較適合於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，通常用機械夾固的方法把它安裝在刀體上，並使刀刃能轉位使用。刀片用鈍後，只需把刀片轉位到另一個新刃上，便可繼續使用，等所有刀刃都用鈍後，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範圍，如若要銑削加工不同型面的工件時，可更換與之相適應線型的刀片。

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，如組合槽銑刀調節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 確定銑刀的迴轉方向

銑刀的迴轉方向是由切削刀刃相對銑刀半徑的傾角決定的，銑削加工時，應根據刀軸的旋轉方向和工件進給方向的相對位置確定銑刀的迴轉方向。

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為銑刀轉速（r/min）。

3.4.2 進給量。銑削的進給量可以用每齒進給量fz(mm/z)、每轉進給量f(mm/r)和每分鐘進給量F（mm/min）3種進給量來表示。這3種進給量的關係滿足：

式中，z為銑刀齒數，n為銑刀轉速（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。

對這些銑削用量的選用原則是：在保證銑削加工質量的前提下，儘量選用較高的轉速、較大進給量和較大的進給深度等銑削用量（適合機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，要充分考慮木材的銑削性質，如每齒進給量fz太小，可能會引起木材加工表面產生燒焦現象。一般推薦每齒進給量fz=0.3～1.5mm。光潔表面的每齒進給量推薦選用0.3～0.8mm，中等表面的每齒進給量推薦選用0.8～2.5mm，粗糙或對木材加工表面沒有要求時每齒進給量可選用2.5～5.0mm。

3.5 考慮銑刀運轉的穩定性

選刀運轉的穩定性影響著工件的加工精度和加工表面質量，因此在木材的銑削加工過程中，應盡力提高銑刀運轉的穩定性。由於銑刀在銑削加工時，在外力的作用下會產生振動和變形，進而影響它的運轉穩定性。因此可採取以下措施來提高銑刀的運轉穩定性。（1）讓銑刀的迴轉頻率避開它的固有頻率，以避免銑刀在銑削時產生共振，同時減少銑刀的不平衡重量，使其有良好的動平衡，進而提高它的運轉穩定性。（2）控制銑刀的伸出長度、直徑及結構，使它滿足穩定性標準的要求，特別是對於懸臂刀軸，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儘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，進而提高銑刀的運轉穩定性。

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迴轉速度、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，既提高了木材的加工效率和加工表面質量，同時也帶來了一些安全隱患。因此在高速銑削時，應注意考慮銑刀的質量、動平衡性及其夾持牢固性。特別地，在銑刀迴轉速度不小於9000r/min和刀具直徑不小於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，且對於焊接整體銑刀在使用前應對它的焊縫進行嚴格的探傷檢測。

（2）為避免在銑削加工時，銑刀進給量過大而引起銑刀過載，必須依據相關標準規定和通用的安全準則對屑片厚度及容屑槽進行限制。

（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度和剛度，而且也決定了銑刀對切削阻力的承受能力。所以必須對成型銑刀的輪廓形高度進行限制，以保證銑刀的使用安全性。

（4）裝配式銑刀使用時承受著較大的迴轉離心力，因此要確保其上的刀片夾持穩固。具體地，相對刀片的伸出長度，對刀片的長度和厚度要進行一個最小量的限制，只有在大於這個最小量限制的值時，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、硬質合金和金剛石等，其中應用最廣泛的當屬硬質合金和金剛石（特別是聚晶金剛石PCD）。硬質合金刀具被廣泛應用於切削各種木材、膠合板、刨花板、高中密度板等不同材料，它不僅能實現粗加工也能完成精加工，同時，可用於加工各種材料的貼面板材。然而由於硬質合金是脆性材料，其抗彎強度和衝擊韌性都比普通高速鋼差很多，限制了它的進一步應用。為此，國內外的學者通過採取細化晶粒、熱處理、添加稀有金屬、添加稀土元素及添加塗層等有效手段，進一步改善和提高了硬質合金刀具材料的切削性能。金剛石由於相對硬質合金有著更高的硬度、強度及耐磨性等優點，而越來越多地被用來製作成銑削刀具。目前工業上使用較多的是聚晶金剛石刀具（簡稱PCD），通常是把PCD做成複合片，用燒結或高頻感應加熱釺焊的方法把它固定在硬質合金上，然後再把硬質合金焊接在基體上。PCD木工刀具的磨損量約是碳化鎢硬質合金刀具的1/5左右，至20世紀90年代末期，PCD木工刀具的份額已佔其總應用的40%[9]。全世界每年用於木材加工的PCD刀具價值4000～5000萬美元，今後將以15%～20%的速度增長[10]。PCD木工刀具主要用於強化複合板、多層實木複合板、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。一般情況下，刀具楔角越小、后角越大、木材比重小含水率高、刀具材料硬度強度高、開式銑削等，都會使刀具具有較高的耐用度。在實際銑削加工中，銑削用量的確定順序，一般是先選擇大的銑削深度，然後根據銑削加工條件和實際加工要求選擇最大的進給量，最後根據刀具耐用度和機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、持續磨損和急速磨損3個階段，它的磨損原因主要有由木質材料的礦物質、樹脂、節子等硬質點機械擦傷造成的磨料磨損；木材中氯化銨和刀具產生的氯氧反應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刀具的化學反應造成的化學腐蝕磨損；刀具材料各組分和木材中的有機弱酸、水溶液、多元酚化合物接觸構成許多微水的原電池而發生的電化學腐蝕磨損[11]。所以，提高木工銑刀的耐磨性主要有2個手段：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。國內外的學者通過研究表明：採用激光淬火、高頻淬火和點接觸淬火的表面熱處理技術、滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲硼的滲層技術、鍍層技術以及塗層技術等手段能提高刀具的耐磨性[12-13]。

5 小結

木材在我們的生活中扮演著重要的角色，其銑削加工技術對它的廣泛應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，針對不同的銑削加工要求，應當選用適合的銑床和銑刀，這樣才能高效、高質地完成木材的銑削加工工作。同時，為進一步提高木材的銑削加工技術，可對以下問題開展科學研究：（1）對木材的銑削加工機理開展深入的研究，特別是對需求量大、難加工的木材的銑削機理的研究。（2）開發功能更強大的木材銑削機床，解決複雜空間曲面的木材的銑削加工。（3）基於刀具磨損機理的研究、刀具CAD/CAM技術的研究和刀具刃磨技術的研究的基礎上，優化刀具材料和結構，提高刀具的耐磨損性能和使用壽命。（4）建立一整套參考標準，解決不同機床、不同銑刀和不同木材，所使用的合理的銑削參數，為木材的高效率、自動化加工作出貢獻。

作者簡介：李全城（1988-），男，實驗師，碩士，主要從事機械製造及其自動化方面的科學研究和工程訓練方面的教學研究。