超硬材料网

       金刚石刀具在难加工非金属材料方面应用越来越广泛，它集中体现了聚晶金刚石的各种优良特性：各向同性、较强的抗磨损能力、较好的可焊性和可加工性，非常适合石材、硬质碳、碳纤维增强塑料、人造板材等难加工材料的加工。金刚石刀具在加工木材时寿命是硬质合金刀具的20-100倍，加工精度可达0.005mm，可以达到抛光的粗糙度和精度，完全无需再抛光被加工表面，同时减少换刀频率，加工效率提高10倍以上。

       本文以家具行业贴面刨花板加工为例，介绍一种金刚石螺旋式铣刀。该金刚石铣刀用于刨花板侧面修光，要求贴面正反两面不能崩边、加工面平整无纹路、刀具耐用、长时间不换刀。这种刀具采用大轴向前角，模拟螺旋齿加工，单点切削轻快，切削力小，光洁度好。同时，针对贴面正反两面不能崩边的要求，采取上下两排金刚石轴向前角相反的设计，以达到切削要求。

       1  刀具设计及工艺过程

       (1)刀具整体结构设计

       根据机床结构和厂家要求设计柄部尺寸、刃口外圆尺寸和刃长等参数。刀具基体采用综合性能比较好的40Cr，整个刀具采用聚晶金刚石复合片分段焊接而成，采用4排刃口（每排2齿）和一个横刃组合而成，共9齿。轴向前角为12-15°，横刃过刀具中心，用于封闭场合的清底加工。刀体结构采用三维软件进行建模而成。

       图1为刀具整体结构图。第1排与第2、3、4排的轴向后角相反。图2为刀具加工示意图。在加工过程中，刀具带轴向后角，可以使贴面板有一个向内的切削力，防止贴面撕裂和出现崩边；第2、3、4排是同一个轴向后角方向，一把刀具可以同时满足不同厚度的贴面板不崩边的加工要求。

       取贴面板上、下两面切削的一个点作受力分析，如图3所示，第一排刀齿作用于贴面板反面，除进给方向的分力Fx外，还有一个向上的分力Fz，可有效防止贴面板反面向下撕裂和崩边；同理，作用于贴面板正面的2、3、4排刀齿会施加一个向下的分力Fz′，能防止地板正面向上撕裂和崩边。

1、2、3、4.轴向后角5.横刃

图1  刀具整体结构设计

       采用类螺旋槽的金刚石刃口设计可以实现瞬时单点切削，切削力小，切削轻快，排屑顺畅，从而可以使刀具转速最大增大到20000转，并增大切削速度，从而提高刀具的进给速度以及生产效率。

图2  刀具加工示意图

图3  工件切削受力示意图

       (2)金刚石材料选择及优化

       金刚石刀片材料采用某进口品牌，针对这种耐磨损性高的刨花板材质，分别采用型号为005、010、025和302的金刚石刀片进行试验。005指细颗粒的金刚石；010是指适中粒度的金刚石；025为粗颗粒的金刚石；302是粗细混合颗粒金刚石。由于铣削加工是多刃的断续加工，切入冲击力周期性地频繁作用于刃口上，再加上金刚石较脆的特性，必须考虑有引起崩刃失效的可能。面对同一规格的刨花板材，用上述四种牌号的刀具分别加工，得出的加工测试数据见表1。

表1  刀片牌号切削测试表

       通过以上数据分析得出，302刀片牌号寿命最高，005刀片牌号寿命最差，025牌号寿命也较差，010刀片牌号寿命居中。一般情况下，粗颗粒金刚石耐磨性比细颗粒更好，细颗粒金刚石的刃口光洁度优于粗颗粒。从以上数据发现，该刀具的主要失效形式有刀具刃口磨损和刃口崩缺两种，可以得出：细颗粒牌号的刀具耐磨性较差，但不易出现崩刃；粗颗粒牌号的刀具耐磨性较强，但容易出现崩刃；粗细混合颗粒牌号的刀具耐磨性比细颗粒强，崩刃性弱于粗颗粒，所以该型号的综合性能最优，寿命也最长。

       (3)刃带设计及优化

       对于木工刀具，为了保证切口的光整度，刃口一般都没有设计刃带，以保持刃口的锋利性。但是，对于刨花板这种杂质较多又耐磨的材质，应考虑设计一些刃带，以在保证光整度的情况下提高刀具刃口的抗崩缺性。

本文做了如下试验：制备4把刀具，统一采用302材质，一把没有设计刃带的刀具和3把刃带长度不同但后角相同的刀具，进行切削试验对比得出的数据见表2。

表2  刃带数库切削测试表

       通过以上测试数据得出，0.1mm刃带的刀具寿命略有提高但刃口失效还是有微崩；0.2mm刃带的刀具寿命显著提高，失效形式主要为磨损；0.4mm刃带的刀具根本没法使用，说明刃带过宽，加工过程中要引起切口擦黑。因此，对于此类基材加工，刃口设计有刃带能在一定程度上防止刃口崩刃，但刃带大小必须与整个切削系统相匹配。刃带过窄，抗崩刃效果不明显，过宽可能会引起切口擦黑。

       (4)工艺过程

       ①工艺流程

       根据以上设计编制了刀具加工制造的工艺流程，明确了加工设备、公差、检验标准等主要工艺流程：毛坯—车削—外圆磨—数控铣—高频焊接—喷砂—刃口成型加工—轮廓及跳动检查—表面处理。图4是刀体半成品实物，图5是焊接实物。

       ②关键工艺选择

       整个工艺流程中最关键的是金刚石的刃口成型加工。这种金刚石刀具的刃磨难度在于其类螺旋式多排设计，加工设备要保证加工轮廓精度及外圆跳动。目前，国内通常采取两种加工方式：数控工具复合磨削和慢走丝放电加工，这些机床结构特性都是能实现多轴联动加工。基于现有条件，试验选用发那科α400电加工机床。

图4  刀体半成品实物

图5  焊接实物

       电加工流程：输入图形DXF—GRT软件编程（确定加工方式、放电参数、轴向后角、径向后角、第二后角、刃带长度、分度等）—生成打点测量程序—输入机床测量程序—开始测量—软件接收打点测量程序—生成加工程序—传入机床程序，执行加工。

       编程采取分5段加工，包括刀具外圆刃口四段（1、2、3、4排）和横刃5，根据刀体的设计，各刃段编程方法见表3。

表3  电加工编程分度表

       编程输入径向后角14°，轴向后角4°，图6为编程的模拟加工后角示意图，图7为电脑模拟刀具成品三维图。

图6  电加工模拟示意图

图7  刀具成品三维图

       经过在线监测，每段刃口取点，整个刀具外圆刃口的全跳动在0.006mm以内。将刀具放在ZOLLER仪器上监测，整段外圆刃口的直线度在0.008mm以内，满足设计要求。

      2  应用情况

       目前，金刚石螺旋铣刀已广泛应用于家具基材加工中的修边，基本取代了硬质合金刀具，不但提高了修边加工质量，还提高了加工效率，降低了加工成本。以前使用硬质合金刀具，几乎每天都要换刀，现在基本上三个月不用换刀，大大降低了人工成本和刀具成本，节约了加工时间。同时，加工进给速度由以前的20m/min提高到了60m/min，刀具转速由6000r/min提高到了20000r/min，大大提高了加工效率。

经过现场测试，金刚石刀具加工刨花板的寿命约为硬质合金刀具的120倍，工件的表面粗糙度远好于硬质合金刀具。

       小结

       （1）类螺旋式双轴向前角设计，实现单点切削，减小了切削力，同时可有效防止双面贴面板撕裂和崩边；

       （2）带旋转轴的5轴联动电加工机床保证了这类刀具的加工难度，同时有效地保证了加工精度及刃口光洁度；

       （3）加工刨花板材质的人造板，宜采用粗细混合颗粒的金刚石，耐磨性和耐崩刃性较强，综合性能优异，寿命较长；

       （4）针对刨花板材质的加工，金刚石刀具可以设计出与切削系统相匹配的刃带，在一定程度上可以增强刀尖强度，提高刀具的抗崩刃性。