木质复合材料加工刀具的研究及进展南康【新闻】

木质复合材料加工刀具的研究及进展

木质复合材料加工刀具的研究及进展 2011年12月09日 来源： 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、TiC

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