木质复合材料加工刀具的研究进展

1．引言 

    近年来，现代化木材加工工业发展迅猛，木质复合材料的加工因此得到了的高速发展。随着人们环保意识的增强，人造板工业得到了越来越多的发展空间。其中最主要的产品是中密度纤维板（MDF），我国目前是亚洲产量最大的国家。2001年强化木地板实际产量已增至6000万m2，如此大量增长的需求对切削加工工具提出了新的要求。目前在切削人造板等木质复合材料时使用的刀具材料主要是硬质合金，硬质合金的耐磨性、耐热性和硬度很高。但由于木材本身具有很高的各向异性结构，使得与刀具的摩擦系数很大，而且木质复合材料本身既含有造成刀具机械擦伤的硬质点（某些人造板表面还有难以加工的硬质涂层），又有引发刀具发生化学腐蚀的酸性介质，这些都会加剧刀具磨损和腐蚀，不仅大大缩短了使用寿命，而且严重降低了产品的质量，进而影响了产品的加工成本和生产效率。现有的硬质合金刀具在耐磨和耐腐蚀性方面已经不能满足要求，为了达到良好的经济效益和社会效益，市场迫切需要高性能的、高质量的木工加工刀具。 

    我国现阶段不仅在木工刀具研究理论上还很贫乏，而且在其生产上更是非常落后，因此了解和掌握目前国内外木工刀具的发展状况和研究进展有着重要的意义。 

    2．磨损机理 

    2.1 机械擦伤磨损 

    由于木质复合材料所具有的特殊的不同于金属材料的组成结构，因此对刀具在加工中的磨损机理要有特殊的研究，这对于刀具的材料选择和几何参数的选用等都是很有必要的。木工刀具的磨损主要分为两类：机械擦伤磨损和腐蚀磨损。 

    机械擦伤磨损由木质复合材料中的硬质颗粒或凸出物使刀具材料迁移所造成。细胞壁、树脂、矿物质（如石英砂等）、节子、胶合材料等，都可能成为机械擦伤磨损的硬质点。通常认为：机械擦伤磨损是磨料在刀具表面滑过，产生擦伤或微切削，结果在刀具表面形成擦痕或犁沟的过程。判断机械擦伤是否为刀具的主要磨损机理，除了考虑刀具材料特性，还要考虑工件的化学性质和含水率。若工件含水率高，酸性较强，则刀具磨损往往还有另外不可忽略的原因——腐蚀磨损。 

    2.2 腐蚀磨损 

    硬质合金刀片在切削某些木质材料时易生成挥发的氯化物。硬质合金刀具中的钴元素会被有机弱酸中的氢离子夺去电子形成金属离子，然后多元酚化合物会与离子发生鳌合反应，生成疏松的鳌合物。可见，有机弱酸和多元酚化合物对刀具材料的腐蚀是逐步进行的，最后生成金属鳌合物覆盖在刀具表面。对于硬质合金刀具，钴是不可缺少的粘结相，一旦钴被腐蚀，生成的鳌合物在机械擦伤磨损作用下很快被磨耗，造成刀具材料被严重磨损。另外，电化学腐蚀也是造成刀具磨损的重要原因。因此，刀具的磨损其实质是刀具与工件材料发生机械、热和电化学腐蚀的综合作用，是使刀具前后面的金属材料不断损失的过程。对几种典型刀具来说，金刚石薄膜的磨耗机理是“磨损变形—裂纹—磨屑形成”。高速钢刀片以磨料磨损为主，腐蚀磨损为辅。粘结剂（钴元素）丧失是硬质合金刀片磨损的根本原因，因此腐蚀磨损是硬质合金刀片的主要磨损机理。 

    3．国内外现状与发展方向 

    近年来，随着一些新材料的使用，木工刀具走向了多元化的发展。这些新材料在某些力学、物理性能方面具有传统材料难以比拟的优势。 

    在木材加工这一行业，最早使用的刀具是高速钢，随着硬质合金与金刚石等超硬材料的使用，木工刀具的发展日渐成熟。涂层处理毫无疑问是当今研究和开发最多的技术。美国、德国、波兰等国家在这方面的研究很多，主要是针对涂层结合力、磨损机理、涂层材料性能比较等等。多层涂层、多元复合涂层以及金刚石涂层、CBN、CN涂层将是未来刀具涂层的发展方向。另外，PCD刀具的应用也非常多。德国的蓝帜（Leitz）公司是世界生产木工刀具最有名的公司之一，他们已经研究出比PCD刀具耐磨性还要高数十倍的MCD单晶金刚石刀具。 

    目前国内外对木材加工刀具的研究都很重视，随着高效率、高环保意识的深入人心，木材加工这一传统的产业被赋予了新的发展方向，那就是在刀具磨损机理的研究、刀具几何参数的计算优化以及表面处理等方面开拓新的前景，特别在刀具表面处理方面，国外已经有不少文章发表，国内也已经有部分专家在木工刀具的理论方面做了大量的研究，比如南京林业大学的曹平祥教授就在木工刀具的磨损和金刚石膜刀具的研究方面取得了不小的成绩。哈尔滨工业大学也在刀具磨损和PCD木工刀具等方面做了不少的研究。 

 4．研究动态 

    4.1 涂层技术 

    涂层是一种适于木工刀具处理的新技术，通常是在硬质合金表面涂覆一层耐磨的TiC、TiN、TiCN3等材料。目前主要的涂覆方法有化学气相沉积涂层（CVD）和物理气相沉积涂层（PVD）。未涂层的硬质合金材料，其刀具耐热性和耐磨性低于硬质相本身，而表面涂层硬质合金刀具的表面硬度和耐磨性，则几乎完全反映了涂层材料的性能。由于涂层普遍具有较硬质合金高的硬度（如用CVD涂覆TiC，硬度达到HV3800），而且保持了基体材料耐冲击的性能。在木工加工防腐蚀方面，由于涂层的存在使硬质合金在加工中“脱钴”的现象得到了较好的控制，因此涂层处理能较好地提高刀具的使用寿命。 

    波兰科研人员P Beer等研究指出：刀具涂层和原木的摩擦系数仍然相对较高，这就对涂层的结合力提出了更高的要求。结合力好的涂层可以大大提高刀具的寿命，防止刀具提前磨损的出现。但是，使用到一定程度后的涂层刀具会因为粗糙的刀具表面而较严重的降低木质板材的加工表面质量。因此，低摩擦系数、平稳的磨损及更长的使用寿命成为涂层的研究方向。德国科研人员I. Endler等研究发现：涂层与刀体材料之间良好的结合力、低的表面粗糙度以及小的切削刃半径可以得到很好的切削效果。当涂层厚度小于5μm时，切削刃半径可以增加很少或者不增加，这对于需要锋利刃部的木工刀具来说是很重要的。尽管有着优异的性能条件，涂层改良刀具却仍然没有在木工加工方面得到非常好的应用，其中的困难在于机械的工艺性、木质材料的物理性和摩擦组织性等综合因素有着非常独特的性能参数。这使得刀具材料的选择和确定刀具几何参数变得困难。 

    在涂层技术中，离子注入技术的研究也取得了重要进展。研究表明，离子注入提高刀具硬度是由于注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化的缘故。离子注入还能形成致密的氧化膜，并且改变表面电化学性能，从而提高耐蚀性，这将对木工刀具的改良很有帮助。 

    （1）渗氮技术 

    碳钢因为其在木工加工领域性能和价格的高性价比而获得了广泛的应用，是传统的木工加工刀具。随着对加工质量的要求逐步提高，对碳钢木工刀具的改良改性也是众多科研人员的努力方向。其中，渗碳、渗氮技术效果较好而且颇受关注。波兰科研人员J. Rudnicki等通过对木工刀具的渗氮研究得出结论：对于屈服温度较低的碳钢，温度低于400℃的离子渗氮可以取得良好的效果，虽然会增加刀具与木质工件的摩擦系数，但渗氮技术可以显著提高刀具强度，并提高刀具寿命1倍以上。 

    （2）金刚石薄膜处理 

    金刚石薄膜具有十分优异的特性，如最大的硬度（100GPa）最高的热导率［>12W/（cm·k）］，对化学反应十分稳定，能耐各种温度下的非氧化性酸等，因此，金刚石膜用于加工木质复合材料时具有很好的性能条件，其耐磨和耐蚀性可以得到充分发挥。目前，合成金刚石主要采用CVD方法。其中间层多采用TiC/TiN层以阻止钴的扩散并承载金刚石膜。M. S. Raghuveer等人研究后指出：在用CVD方法制备金刚石膜时，钴通过晶界从基体向外的转移比金刚石晶粒的长大要明显得多，但可用氢离子化学刻蚀结合TiC/TiN 扩散阻层的方法使之显著降低。采用刃磨的方法得到较大的刀具刃口半径，并可在CVD沉积时保持刀具刃口的锋利，对于改善金刚石与刀具基体的结合力可以起到重要的作用。 

    金刚石膜涂层刀具在木加工中至今应用有限，仍然存在一些问题有待解决。主要原因在于：金刚石膜与机体的结合力始终不足，而且木加工中，需要锋利的刃口和小的切削刃——包括切削角度，这对于金刚石膜来说又是一个难以把握的工艺问题。尽管如此，金刚石膜由于其优异的性能使得其在木加工中有着很好的应用前景。 

    4.2 聚晶金刚石PCD与PDC 

    PCD（Polycrystalline Diamond）是一种高性能的合成超硬材料。它有着很高的硬度，良好的抗磨损性以及热传导性，近年来被越来越多地应用到木质复合材料的加工中。1979年，德国蓝帜公司首先制造出了PCD木工刀具，在加工PB（particle board）时，其寿命是常规硬质合金刀具的125倍。由此可以看出PCD有着非常优异的性能。 

    聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）刀具的研究是在PCD刀具研究的基础上发展起来的。它是将金刚石微粉在超高温高压下一次性烧结在硬质合金机体上，从而将PCD与硬质合金复合成一个整体，由于它既有金刚石的硬度和耐磨性又具有硬质合金的韧性和可焊性等优点，因此它的出现具有划时代的意义。 

    目前PDC刀具复合片材料正朝着大尺寸化、晶粒细化、质量优化、性能均匀化方面发展，其应用市场也逐年增长。我国木材加工工业今后发展的重点在于进一步提高成材质量、合格率和出材率，发展涂层加工。因此，木工加工工业加速采用PCD、PDC刀具将是发展趋势。首先，由于PDC硬度高、耐磨性好、使用寿命为同类硬质合金刀具的20～400倍，使更换刀具时间由原来的每几小时一次到每几个月一次。减少了换机换刀次数及刃磨工时，提高了设备利用率和木制品生产率。其次，刀尖后退量小，可以提高切削速度。增加每次进给量，同样可以提高生产率，而且可获得较低的粗糙度和较高的精度。虽然刀具成本为同类硬质合金刀具的10～40倍，但如果考虑终身成本分析，那么最终制品加工成本可下降20%～69%。 

    5．结语 

    在近年一次国际木工机械研讨会上，英国著名的木工机械专家Geoff. stainton先生预言：中国将成为世界上最大的木工机械生产基地。我国是硬质合金生产大国，硬质合金是生产木工刀具的主要材料，所以如何利用我们的优势，在木工刀具这一市场尽快成熟，缩小与国外的差距将有着重大意义。