硬質木材榫槽組合銑刀的設計

高炳天 權富成

（①蘭州工業學院，甘肅 蘭州730050;②蘭州資源環境職業技術學院，甘肅蘭州 730021）

目前，我國為了保護生態環境，木材的供給量將日漸減少，材質不斷降低［1］。面臨難加工的硬質木材（簡稱“硬材”）會逐漸增多，節子木材應得到合理利用，節子屬硬質木材。要充分利用這些資源，提高產品質量和生產效率。由此可見，加工實踐的需要促進木材刀具技術創新，滿足市場的需求，研發成本低廉、實用新型的木材成形刀具是當務之急。

小型臺式多用木工機床（型號MQ431C）硬材榫槽（寬12 mm，深13 mm）難加工是該機床的技術瓶頸。研發了一款圓鋸片組合木工成形銑刀。該刀具結構通過改革創新，不僅使硬材榫槽可以實現，而且有效提高了生產效率和加工質量;具有結構簡單，使用維護方便，成本低，易推廣應用，實用新型的特點。深受個體用戶、小型企業用戶青睞。

1 圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀結構設計

1．1 設計條件分析

小型臺式多用木工機床是目前我國木工機械行業中產銷量最大的一種木工設備，年產40萬臺以上［2］。榫槽的成形銑刀（見圖1），電動機轉速2 800 r/min，主軸轉速3 446 r/min，刀刃材料高速鋼，榫槽范圍5～13 mm，刀刃直徑90 mm，刃寬12 mm，榫槽時木工手持木條緊靠定位板緩慢推進實現加工。圖1示結構屬直齒雙刃裝配式盤狀成形銑刀［3］，切削時整個刀刃同時切入切出，斷續切削導致較大的切削沖擊力，噪聲大，機床振動進料困難，加工質量不能保證。木材密度大于0.7 g/cm3稱之為硬材，特點是密度大，硬度高。當加工硬材時不僅容易崩刃，當加工節子木材時會擠壓節子飛出，或者擠壓與節子相連木材會順紋開裂，材料報廢，而且嚴重威脅木工人生安全。分析其主要原因是直齒雙刃成形銑刀的結構不適應。

1．2 結構方案設計

德國Petutschnigg教授提出成形銑削的分層理論［4］。提出了刀刃分塊減小切削力的原理;美國人Steward提出:要想達到有效降低噪聲的目的，需要采用大螺旋角連續切削的刀刃［5］;臺灣進口的階梯形玉米狀圓柱銑刀就是采用了分塊式結構。國際上的新技術的應用由于制作和使用上的困難而限制了它們的推廣使用。本文結合國內外的新技術、研究成果對此作了進一步的研究，得出了組合式刀具結構，實現改進切削性能的方案:以數塊窄刃刀具圓鋸片組合，相鄰刀刃在軸向位置尺寸有重合量，刀具刀刃構成成形面加工尺寸;組合時刀刃錯位排列成各段直刃呈螺旋狀即大刃傾角（見圖2）。該刀具結構特點是以窄刃組合代替寬刃，多刃代替雙刃，刀刃錯位排列呈螺旋狀代替直齒。創新性在于采用了分塊式結構，具有分塊切削刀刃的優良切削性能。

1．3 圓鋸片材料選擇

圓鋸片切削加工的動態穩定性是衡量圓鋸片切削加工性能的重要指標。因而，圓鋸片材料采用國產高速工具鋼帶鋸鋼帶制作，型號100×1.2，寬度為100 mm，厚度為1．2 mm。高速工具鋼具有良好淬透性，硬度及剛性強，耐熱變形小，屬超高強度鋼，熱塑性穩定，適宜制造高檔薄圓鋸片。

1．4 圓鋸片參數設計

圓鋸片基本設計參數有直徑D、孔徑d、齒數Z和角度參數等，其中直徑D和角度參數為主要設計參數。圓鋸片直徑和孔徑設計與雙齒榫槽銑刀參數相同:即D=90 mm，d=18 mm。

1．4．1 圓鋸片齒數Z設計

鋸齒的齒數，一般來說齒數越多，在單位時間內切削的刃口越多，切削性能越好，但切削齒數多鋸齒強度降低，齒間的容屑量變小，容易引起鋸片發熱;刀具齒數過少，如前所述會造成較大的切削沖擊。因從提高加工質量和生產率的角度考慮。按刀具齒數估算公式為參考，

式中:Z為齒數，齒;D為刀刃直徑，mm。若取D=90 mm，則:Z=10.8～28.8齒。

結合小型臺式木工多用機床切削速度不高、手動進給，Z選小值，取13齒。

1．4．2 圓鋸片鋸齒角度參數設計

采用大前角［6］。刀具前角對其切削性能有很大影響，前角大能使切削流暢且功率消耗少、噪聲低、進給阻力小。實際生產中，木工銑刀多采用大前角，一般取25°～35°，選取原則是硬材選較小值，軟材選較大值。

1．5 圓鋸片鋸齒廓形設計

組合銑刀結構改革創新，一方面具有分塊式結構，另一方面鋸齒廓形設計成了刨削鋸齒狀（見圖3），齒刃強度顯著增強。鋸齒廓形設計成刨削鋸齒狀［7］，面積大散熱性好，增大容屑槽能降低摩擦產生溫度，保持圓鋸片鋸齒的強度，提高鋸齒的耐用度和使用壽命。

齒形的選擇能銳利地鋸切且切口平滑，則用左右平組合齒，鋸路寬3 mm。

1．6 圓鋸片組合拼裝

圓鋸片、平墊數塊疊加方式實現寬槽鋸路切削。在保證尺寸精度的條件下，在小型臺式多用木工機床的主軸上直接安裝，以相鄰圓鋸片分片套裝在不同刀槽套中，中間套裝平墊，使各分片齒刃的安裝沿刀軸呈螺旋狀有序排列。為減小各分塊的軸向結合誤差，相鄰分塊沿刀具的軸向位置尺寸有重合量。兩端用帶法蘭盤軸套夾緊，見圖4。

2 切削性能分析

2．1 結構分析

雙齒榫槽成形銑刀結構屬整體式切削，直齒雙刃，斷續切削振動激烈。圓鋸片組合榫槽成形銑刀具有分塊式結構，組合拼裝后切削刀刃呈螺旋狀即大刃傾角［8］;刨削鋸齒狀增大了容屑槽，增強了鋸齒刀刃強度;采用了大前角，切削輕快、平穩。

2．2 切削性能分析

圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀比雙齒榫槽木工成形銑刀切削性能比較:前者切削力要小得多，切削力引起的切削振動也要小得多，且切削流暢，功率消耗少、噪聲低;加工面粗糙度值小，切屑呈波狀連接切屑，生產環境清潔化程度顯著提高。

3 實際應用效果

圓鋸片組合榫槽木工成形銑刀設計成功后，經小型臺式多用木工機床試用（見圖2），加工硬質木材見圖5所示。試驗結果榫槽不論硬材還是軟材，平均進給速度均為2.8 m/min，是直齒雙刃盤類成形銑刀進料速度的3倍，切削過程平穩，成形面質量光潔平整，噪聲降低。研發的刀具達到了預期目標。應用結果:切削性能顯著改善，使用維護方便。

4 結語

圓鋸片組合榫槽木工成形刀具的成功研發，應用了國內、外成形刀具改善切削性能新成果、新技術、新理論，對成形刀具結構進行了創新。其創新點是圓鋸片齒刃采用大前角;齒廓形設計成刨削鋸齒狀;組合拼裝后圓鋸片具有分塊式結構，基本上達到了與大螺旋角刀刃相同的切削性能。通過不同數量的圓鋸片、平墊組合可加工寬3～12 mm，深13 mm的任意榫槽，顯著拓寬了設備功能。解決了小型臺式木工多用機床對硬材榫槽不能能加工的技術瓶頸，有利于提高木材資源利用率，有利于提高木工生產效率。因此具有較強實用性及極高的推廣價值。

［1］曹平祥，王毅．木工刀具磨損機理及抗磨技術［J］．林產工業，2003，30（5）:19－20．

［2］曹鼎，熊計．木質復合材料加工刀具的研究進展［J］．工具技術，2005，39（9）:6－9

［3］曾麗霞，袁慧．木質材料切削加工技術研究現狀［J］．工具技術，2007，41（5）:5－9．

［4］馬巖．國外木材切削刀具設計理論研究新進展［J］．林業機械與木工設備，2007（3）:4－8．

［5］姜建平．木材成形銑刀切削性能改善的方法探討［J］．青島建筑工程學院學報，1994（1）:1－5．

［6］孟慶午，林成志．國內外木材鋸切理論研究與技術開發概述［J］．家具，2008（4）:21－23．

［7］金維誅，潘鍥，權喜，等．超硬木工成型銑刀參數的優化設計［J］．木材加工機械，2006（4）:1－3．

［8］曹平祥．當代木工刀具的發展概況［J］．木材加工機械，2006（2）:29－34．