金剛石刀具在難加工非金屬材料方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它集中體現(xiàn)了聚晶金剛石的各種優(yōu)良特性：各向同性、較強(qiáng)的抗磨損能力、較好的可焊性和可加工性，非常適合石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料、人造板材等難加工材料的加工。金剛石刀具在加工木材時(shí)壽命是硬質(zhì)合金刀具的20-100倍，加工精度可達(dá)0.005mm，可以達(dá)到拋光的粗糙度和精度，完全無(wú)需再拋光被加工表面，同時(shí)減少換刀頻率，加工效率提高10倍以上。

       本文以家具行業(yè)貼面刨花板加工為例，介紹一種金剛石螺旋式銑刀。該金剛石銑刀用于刨花板側(cè)面修光，要求貼面正反兩面不能崩邊、加工面平整無(wú)紋路、刀具耐用、長(zhǎng)時(shí)間不換刀。這種刀具采用大軸向前角，模擬螺旋齒加工，單點(diǎn)切削輕快，切削力小，光潔度好。同時(shí)，針對(duì)貼面正反兩面不能崩邊的要求，采取上下兩排金剛石軸向前角相反的設(shè)計(jì)，以達(dá)到切削要求。

       1  刀具設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程

       (1)刀具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和廠家要求設(shè)計(jì)柄部尺寸、刃口外圓尺寸和刃長(zhǎng)等參數(shù)。刀具基體采用綜合性能比較好的40Cr，整個(gè)刀具采用聚晶金剛石復(fù)合片分段焊接而成，采用4排刃口（每排2齒）和一個(gè)橫刃組合而成，共9齒。軸向前角為12-15°，橫刃過(guò)刀具中心，用于封閉場(chǎng)合的清底加工。刀體結(jié)構(gòu)采用三維軟件進(jìn)行建模而成。

       圖1為刀具整體結(jié)構(gòu)圖。第1排與第2、3、4排的軸向后角相反。圖2為刀具加工示意圖。在加工過(guò)程中，刀具帶軸向后角，可以使貼面板有一個(gè)向內(nèi)的切削力，防止貼面撕裂和出現(xiàn)崩邊；第2、3、4排是同一個(gè)軸向后角方向，一把刀具可以同時(shí)滿足不同厚度的貼面板不崩邊的加工要求。

       取貼面板上、下兩面切削的一個(gè)點(diǎn)作受力分析，如圖3所示，第一排刀齒作用于貼面板反面，除進(jìn)給方向的分力Fx外，還有一個(gè)向上的分力Fz，可有效防止貼面板反面向下撕裂和崩邊；同理，作用于貼面板正面的2、3、4排刀齒會(huì)施加一個(gè)向下的分力Fz′，能防止地板正面向上撕裂和崩邊。

1、2、3、4.軸向后角5.橫刃

圖1  刀具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       采用類螺旋槽的金剛石刃口設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單點(diǎn)切削，切削力小，切削輕快，排屑順暢，從而可以使刀具轉(zhuǎn)速最大增大到20000轉(zhuǎn)，并增大切削速度，從而提高刀具的進(jìn)給速度以及生產(chǎn)效率。

圖2  刀具加工示意圖

圖3  工件切削受力示意圖

       (2)金剛石材料選擇及優(yōu)化

       金剛石刀片材料采用某進(jìn)口品牌，針對(duì)這種耐磨損性高的刨花板材質(zhì)，分別采用型號(hào)為005、010、025和302的金剛石刀片進(jìn)行試驗(yàn)。005指細(xì)顆粒的金剛石；010是指適中粒度的金剛石；025為粗顆粒的金剛石；302是粗細(xì)混合顆粒金剛石。由于銑削加工是多刃的斷續(xù)加工，切入沖擊力周期性地頻繁作用于刃口上，再加上金剛石較脆的特性，必須考慮有引起崩刃失效的可能。面對(duì)同一規(guī)格的刨花板材，用上述四種牌號(hào)的刀具分別加工，得出的加工測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1  刀片牌號(hào)切削測(cè)試表

       通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出，302刀片牌號(hào)壽命最高，005刀片牌號(hào)壽命最差，025牌號(hào)壽命也較差，010刀片牌號(hào)壽命居中。一般情況下，粗顆粒金剛石耐磨性比細(xì)顆粒更好，細(xì)顆粒金剛石的刃口光潔度優(yōu)于粗顆粒。從以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該刀具的主要失效形式有刀具刃口磨損和刃口崩缺兩種，可以得出：細(xì)顆粒牌號(hào)的刀具耐磨性較差，但不易出現(xiàn)崩刃；粗顆粒牌號(hào)的刀具耐磨性較強(qiáng)，但容易出現(xiàn)崩刃；粗細(xì)混合顆粒牌號(hào)的刀具耐磨性比細(xì)顆粒強(qiáng)，崩刃性弱于粗顆粒，所以該型號(hào)的綜合性能最優(yōu)，壽命也最長(zhǎng)。

       (3)刃帶設(shè)計(jì)及優(yōu)化

       對(duì)于木工刀具，為了保證切口的光整度，刃口一般都沒有設(shè)計(jì)刃帶，以保持刃口的鋒利性。但是，對(duì)于刨花板這種雜質(zhì)較多又耐磨的材質(zhì)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一些刃帶，以在保證光整度的情況下提高刀具刃口的抗崩缺性。

本文做了如下試驗(yàn)：制備4把刀具，統(tǒng)一采用302材質(zhì)，一把沒有設(shè)計(jì)刃帶的刀具和3把刃帶長(zhǎng)度不同但后角相同的刀具，進(jìn)行切削試驗(yàn)對(duì)比得出的數(shù)據(jù)見表2。

表2  刃帶數(shù)庫(kù)切削測(cè)試表

       通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù)得出，0.1mm刃帶的刀具壽命略有提高但刃口失效還是有微崩；0.2mm刃帶的刀具壽命顯著提高，失效形式主要為磨損；0.4mm刃帶的刀具根本沒法使用，說(shuō)明刃帶過(guò)寬，加工過(guò)程中要引起切口擦黑。因此，對(duì)于此類基材加工，刃口設(shè)計(jì)有刃帶能在一定程度上防止刃口崩刃，但刃帶大小必須與整個(gè)切削系統(tǒng)相匹配。刃帶過(guò)窄，抗崩刃效果不明顯，過(guò)寬可能會(huì)引起切口擦黑。

       (4)工藝過(guò)程

       ①工藝流程

       根據(jù)以上設(shè)計(jì)編制了刀具加工制造的工藝流程，明確了加工設(shè)備、公差、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等主要工藝流程：毛坯—車削—外圓磨—數(shù)控銑—高頻焊接—噴砂—刃口成型加工—輪廓及跳動(dòng)檢查—表面處理。圖4是刀體半成品實(shí)物，圖5是焊接實(shí)物。

       ②關(guān)鍵工藝選擇

       整個(gè)工藝流程中最關(guān)鍵的是金剛石的刃口成型加工。這種金剛石刀具的刃磨難度在于其類螺旋式多排設(shè)計(jì)，加工設(shè)備要保證加工輪廓精度及外圓跳動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)通常采取兩種加工方式：數(shù)控工具復(fù)合磨削和慢走絲放電加工，這些機(jī)床結(jié)構(gòu)特性都是能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工?；诂F(xiàn)有條件，試驗(yàn)選用發(fā)那科α400電加工機(jī)床。

圖4  刀體半成品實(shí)物

圖5  焊接實(shí)物

       電加工流程：輸入圖形DXF—GRT軟件編程（確定加工方式、放電參數(shù)、軸向后角、徑向后角、第二后角、刃帶長(zhǎng)度、分度等）—生成打點(diǎn)測(cè)量程序—輸入機(jī)床測(cè)量程序—開始測(cè)量—軟件接收打點(diǎn)測(cè)量程序—生成加工程序—傳入機(jī)床程序，執(zhí)行加工。

       編程采取分5段加工，包括刀具外圓刃口四段（1、2、3、4排）和橫刃5，根據(jù)刀體的設(shè)計(jì)，各刃段編程方法見表3。

表3  電加工編程分度表

       編程輸入徑向后角14°，軸向后角4°，圖6為編程的模擬加工后角示意圖，圖7為電腦模擬刀具成品三維圖。

圖6  電加工模擬示意圖

圖7  刀具成品三維圖

       經(jīng)過(guò)在線監(jiān)測(cè)，每段刃口取點(diǎn)，整個(gè)刀具外圓刃口的全跳動(dòng)在0.006mm以內(nèi)。將刀具放在ZOLLER儀器上監(jiān)測(cè)，整段外圓刃口的直線度在0.008mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

      2  應(yīng)用情況

       目前，金剛石螺旋銑刀已廣泛應(yīng)用于家具基材加工中的修邊，基本取代了硬質(zhì)合金刀具，不但提高了修邊加工質(zhì)量，還提高了加工效率，降低了加工成本。以前使用硬質(zhì)合金刀具，幾乎每天都要換刀，現(xiàn)在基本上三個(gè)月不用換刀，大大降低了人工成本和刀具成本，節(jié)約了加工時(shí)間。同時(shí)，加工進(jìn)給速度由以前的20m/min提高到了60m/min，刀具轉(zhuǎn)速由6000r/min提高到了20000r/min，大大提高了加工效率。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，金剛石刀具加工刨花板的壽命約為硬質(zhì)合金刀具的120倍，工件的表面粗糙度遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具。

       小結(jié)

       （1）類螺旋式雙軸向前角設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)切削，減小了切削力，同時(shí)可有效防止雙面貼面板撕裂和崩邊；

       （2）帶旋轉(zhuǎn)軸的5軸聯(lián)動(dòng)電加工機(jī)床保證了這類刀具的加工難度，同時(shí)有效地保證了加工精度及刃口光潔度；

       （3）加工刨花板材質(zhì)的人造板，宜采用粗細(xì)混合顆粒的金剛石，耐磨性和耐崩刃性較強(qiáng)，綜合性能優(yōu)異，壽命較長(zhǎng)；

       （4）針對(duì)刨花板材質(zhì)的加工，金剛石刀具可以設(shè)計(jì)出與切削系統(tǒng)相匹配的刃帶，在一定程度上可以增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，提高刀具的抗崩刃性。