第二章木工刀具材料及刀具磨损

第二章木工刀具材料及刀具磨损第二章木工刀具材料及刀具磨损 第二章木工刀具材料及刀具磨损第二章木工刀具材料及刀具磨损第 一节木工刀具材料 一 木工刀具分类 1 锯用锯切方式分开木材 2 用锯切方式分开木材 2 刀片加工光面或切开木材 刀体呈片状 如刨刀 旋刀等 3 如刨刀 旋刀等 3 铣刀用于成形加工 平面加工或铣削槽孔 刀具作回转 4 孔 刀具作回转 4 钻头用于加工通孔或盲孔 刀体呈杆状 5 打眼刀加工非圆孔和切槽 如链式打眼刀 方凿打眼刀等 6 刀 方凿打眼刀等 6 车刀用于加工旋转体 刀具直线进给 7 用于加工旋转体 刀具直线进给 7 磨具用于磨光木制品表面 如砂纸 砂轮等第二章木工刀具材料 及刀具磨损第二章木工刀具材料及刀具磨损 二 木工刀具对材料的要求 1 足够的强度和韧性 高强度能承受大切削力 用抗弯强度衡量 韧性表明了刀具承受冲 击载荷和振动的能力 用冲击值衡量 2 高硬度 HRC 503 热硬性好高温下保持高硬度 木材加工中通常不力 用冲击值 衡量 2 高硬度 HRC 503 热硬性好高温下保持高硬度 木材加工中通常不用冷却液 4 导热性好降低切削温度 提高刀具耐用度 5 耐磨性好材料抵抗磨损的能力 6 工艺性好良好的可加工性 可磨削性 热处理下用冷却液 4 导热性好降低切削温度 提高刀具耐用度 5 耐磨性好材料抵抗磨损的能力 6 工艺性好良好的可加工性 可磨削性 热处理下不脱碳第二章木 工刀具材料及刀具磨损 三 木工刀具常用材料 1 碳素工具钢 T 8 T8A T 10 T10A等 含碳量0 65 1 2 的优质碳素钢 C 韧性 淬火后硬度 优点刃口锋利 塑性好 切削加工性 好 淬火后淬火后硬度 优点刃口锋利 塑性好 切削加工性好 淬火后HRC 61 65 价格低 缺点热硬性差 热硬性温度200 250 淬火HRC 61 65 价 格低 缺点热硬性差 热硬性温度200 250 淬火后易变形 淬透性 差应用切削速度小 负荷小的机用或手工刀具 不适合作整体刀具 注普通钢含磷量 0 045 含硫量 0 055 或磷 硫含量均 0 0 50 优质钢磷 硫含量均 0 040 第二章木工刀具材料及刀具磨损 2 合金工具钢 65Mn Cr 15 Cr12等 碳素钢中加入少量合金元素 钨 铬 钴等 特点热 硬性好于碳素工具钢 350 钴等 特点热硬性好于碳素工具钢 35 0 400 淬火时变形小 淬透性好 适用于机用刀具第二章木工刀具材料及刀具磨损 3 高速钢 High SpeedSteels 简称HSS 合金钢中提高某些合金元素的含量成为高 速钢 含钨量9 20 含铬量3 5 特点热硬性好 500 600 热处理 变形小 易磨锐 抗弯强度 冲击韧性 可锻性好 价格低 普通 高速钢 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 可锻性 淬透性等差第二章木工刀 具材料及刀具磨损 优点无碳化物偏析 提高钢的强度 韧性和硬度 硬度值达69 70HRC 保证材料各向同性 减小热处理内应力和 变形 磨削加工性好 磨削效率比熔炼高速钢提高2 3倍 耐磨 性好 适于制造切削难加工材料的刀具 大尺寸刀具 如滚刀和插齿刀 精密刀具和加工量大的复杂刀具 粉末冶金高速钢第二章木工刀具材料及刀具磨损 4 硬质合金由难熔的金属硬质化合物 硬质相 和金属粘结剂 粘 结相 经粉末冶金方法制成 硬质化合物碳化钨 WC 碳化钛 TiC 碳化钽 TaC 碳化钠 NaC 粘结剂钴 Co TaC 碳化钠 NaC 粘结剂钴 Co 硬质合金 强度主要取决于Co的含量 特点硬度高 HRC86 93 耐高温 800 1000 热硬性好 6 00 下的热硬性超过常温下的高速钢 脆性大 耐冲击性差 抗 弯强度及韧性低 刀具楔角大 50 60 不易磨锐 加工工艺性差 第二章木工刀具材料及刀具磨损类型 按用途P按用途P 用于加工长屑黑色金属 以蓝色标记 M用于加工长屑黑色金属 以 蓝色标记 M 用于加工短屑黑色或有色金属 以黄色标记 K用于加工短屑黑色或 有色金属 以黄色标记 K 用于加工短屑黑色金属和非金属 以红色标记如P 01 P10用于加工短屑黑色金属和非金属 以红色标记如P 01 P10 M20 K40 每类中数字越大 耐磨性低 韧性好 K10 K40适合于切削木材 按化学成分钨钴类 YG 钨钛钴类 Y T 钨钛钽类 YW 按化学成分钨钴类 YG 钨钛钴类 YT 钨 钛钽类 YW M类K类P类第二章木工刀具材料及刀具磨损牌号示例YG6 K10 YG8 K30 YG15 K40 数字表示钴含量 含量高 材料耐 冲击性好 耐磨性差不能切削含水率高 15 的材料第二章木工 刀具材料及刀具磨损 5 特殊刀具材料 金刚石硬度 耐磨性 导热性好 热膨胀系数小 韧性差 对振动敏感 易与铁发生反应 工业上制作刀具所用的金刚石是一种人造聚晶金刚石 PCD 其 晶体各向同性 相互间有很强的结合力 刀具耐磨性不随方向而变 化 材质稳定 切削性能可以预测 硬度比天然金刚石小 可达800 0HV 但强度及韧性优于天然金刚石 不易破裂损坏 使用寿命更 长 经测试 金刚石刀具的耐用度为同等条件下硬质合金刀具的80 360 倍 第二章木工刀具材料及刀具磨损应用制造磨具和难加工材料加工 木材工业中的应用强化地板生产 多层实木复合地板 电子开料锯 锯片 封边机刀具等 复合金刚石刀具 PCD复合片 在硬质合金基体表面经高温高压烧结 一层聚金刚石 0 5mm厚 形成金刚石与硬质合金的复合刀片 韧 性好 材质稳定 可多次重磨 第二章木工刀具材料及刀具磨损 氮化硼 BN 熔点高 2730 是一种与石墨相似 呈白色的软材料 在高温下加入催化剂转化 为立方氮化硼 CBN 特点硬度 耐磨性仅次于金刚石 耐热性高 特点硬度 耐磨性仅次于金刚石 耐热性高 1000 1300 导 热性好 摩擦系数小 化学惰性大 用一般金刚石可磨削 韧性差 热膨胀系数小 耐冲击性差 注金刚石和立方氮化硼 CBN 的热膨胀系数比硬质合金小 与钢质刀 体焊接后焊接应力大 第二章木工刀具材料及刀具磨损 陶瓷 1 材料组成主要由硬度和熔点都很高的Al2O 3 Si3N4等氧化物 氮化物组成 另外还有少量的金属碳化物 氧 化物等添加剂 通过粉末冶金工艺方法制粉 再压制烧结而成 制粉 再压制烧结而成 2 常用种类Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷 基陶瓷 3 优点有很高的硬度和耐磨性 刀具寿命比硬质合金高 具有很 好的热硬性 摩擦系数低 切削力比硬质合金小 用该类刀具加工 时能提高表面光洁度 度 4 缺点强度和韧性差 热导率低 陶瓷最大缺点是脆性大 抗冲击性能很差 是脆性大 抗冲击性能很差 5 适用范围高速精细加工硬材料 第二章木工刀具材料及刀具磨损 四 刀具材料的选择刀具材料性能比较第二章木工刀具材料及刀具 磨损 一 锯片 1 锯切特点闭式切削 切削热高 负荷大 制材时更大 要求高 强度 高硬度 耐磨性好 带锯条周期性弯曲变形 又要张紧 锯 片需锤锻碾压和拨 压 料 要求高韧性 2 选材锯片需锤锻碾压和拨 压 料 要求高韧性 2 选材中碳碳素工具钢和低合金工具钢 韧性好 如T8A 65Mn 加工硬材或人造板时也可用高硬材料强化锯齿 第二章木工刀具材料及刀具磨损 二 铣刀 1 特点转速高 刀齿间断切削 受冲击载荷 要求韧性好 强度 耐磨性高 2 选材荷 要求韧性好 强度 耐磨性高 2 选材刀体 低 中碳结构钢 节省贵重材料 降低成本 切削部分低 中碳结 构钢 节省贵重材料 降低成本 切削部分 合金工具钢 高速钢 硬质合金或金刚石 合金工具钢 高速钢 硬质合金或金刚石 第二章木工刀具材料及刀具磨损 三 刀片 1 特点装在刀轴或刀架上 工作条件差别大如剪切刀片速度小 旋刀楔角小 削片刀负荷大 铣刀刀片有厚薄之分 2 选材片有厚薄之分 2 选材体积小的薄刀片 合金钢 高速钢 硬质合金 体积大的厚刀片硬质合金 体积大的 厚刀片 双层复合材料 A3钢或45钢刀体上焊接合金钢或硬质合金 低速的 可用碳素工具钢 第二章木工刀具材料及刀具磨损 四 钻头 1 特点直径小 线速度低 2 选材浅孔钻和手工钻 温度低 热硬性要求 1 特点直径小 线速度低 2 选材浅孔钻和手工钻 温度低 热硬性要求低 碳素工具钢 T8A T12A 机用钻头 低碳渗碳钢 低碳素钢 钻削人造板低碳渗碳钢 低碳素钢 钻削 人造板 高速钢 硬质合金作为切削部分 第二章木工刀具材料及刀具磨损 六 刀体 刀架及夹紧装置 1 特点不直接参与切削 对硬度 热硬性 耐磨性要求不高 只须 满足强度 刚度和韧性要求 2 性要求不高 只须满足强度 刚度和韧性要求 2 选材结构钢 45钢 A3钢 受力大的刀轴 刀体夹紧螺钉等用 优质结构钢 合金结构钢或硬质轻合金 五 打眼刀 1 特点凿类切削速度小 往复运动 热硬性要求低刃口尖锐 链式 硬度高 2 低刃口尖锐 链式硬度高 2 选材碳素工具钢 合金工具钢或低碳渗碳钢第二章木工刀具材料 及刀具磨损第二节木工刀具磨损 一 磨损的衡量指标 1 刃口的纵向微观几何形状 前后刀面的粗糙度 2 刃口的横向微观几何形状 磨损特性 磨损强度刃口圆弧半径 后刀面棱长W b 刃口收缩量R b第二章木工刀具材料及刀具磨损 二 木工刀具磨损原因木工刀具的磨损机理主要有机械擦伤磨损和 腐蚀磨损 1 机械擦伤磨损 磨料磨损 机械擦伤磨损是指木材或木质人造板 中的硬质颗粒或硬质凸出物使刀具材料迁移而造成的一种磨损 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 通过对机械擦伤磨损过程和磨损表面的观察 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 机械擦伤磨损与刀具材料成分组织 机械性能 硬质点的特性 硬度 粒度 尖角程度等 有关 第二章木工刀具材料及刀具磨损工件中的磨料主要有3个一是木材中 固有的 二是木材运输过程中粘带的泥砂杂质 三是人造板制造过 程中金属零件的磨屑和添加物 矿物质或无机成分是木材生长所必须的成分 主要为磷 硫 氮 钙 镁 钾 铁 硼 锰 硅 锌 铝等 这些无机成分 常与树胶及果胶酸结合 在边材或心材裂缝或轮裂中 有时发现大量的草酸钙或琥珀酸铝 在细胞腔内 一般有晶体碳酸钙 草酸钙和二氧化硅 据介绍某些木材射线薄壁细胞中有大量的硅沉积物 某些木材导管 中 存在大量的颗粒状物质 主要成分是硅 也有硅 钙 镁 硫 等化合物 在这些无机成分中 石英砂硬度最高 达到900 1200Hv 远远超过 了高速钢硬度 接近或超过硬质合金硬度 第二章木工刀具材料及刀具磨损木材在运输过程中会粘有泥砂 削 片机及刨花粉碎机等刨花制备设备的刀片磨损后的磨屑都会随刨花 进入制品中 胶合材料固化之后 也成了较硬的部分 此外 木材中节子 树脂 等也是较硬的实体 这些物质都可能成为磨料 第二章木工刀具材料及刀具磨损 2 腐蚀磨损 高温氯氧化腐蚀据资料介绍 刨花板和中密度纤维板 燃烧时 会产生较高百分比的氯元素 刨花板或中密度纤维板施胶过程添加的固化剂 氯化铵 是氯元素的 主要 高速钢和硬质合金刀片在切削刨花板时 刀片材是氯元素的主要 高速钢和硬质合金刀片在切削刨花板时 刀片材料中的铁或钴元素 会与氯气发生化学反应 生成易挥发的氯化物 此外 空气中氧气对反应起着推波助澜的作用 在盐酸和氧气的环境下 铁和钴生成挥发性的物质和水 第二章木工刀具材料及刀具磨损 化学腐蚀磨损多元酚化合物对碳 钢刀具有不同程度的腐蚀 木材木粉水抽提液中的多元酚化合物要 比配制成的多元酚溶液有更强的腐蚀性 有机弱酸和多元酚化合物之所以会腐蚀刀具材料 是因的多元酚溶 液有更强的腐蚀性 有机弱酸和多元酚化合物之所以会腐蚀刀具材料 是因为碳钢刀具 材料中的铁和硬质合金刀具中的钴元素会被氢离子夺去电子 形成 金属离子和氢气 然后 亚铁离子Fe2 在空气中进一步氧化变成Fe3 多元酚化合物和Fe3 发生螯合反应 生成疏松的螯合物 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 成金属螯合物覆盖在刀具表面上 对于碳钢刀具而言 铁是基本成分 对于硬质合金而言 碳化物是 基本成分 钴是不可缺少的粘结剂 一旦铁或钴被腐蚀 生成的螯合物在机械擦伤磨损作用下 很快被 磨耗 暴露了刀具材料的新组织 如此循环往复 刀具材料就不断地被磨损 可见 机械擦伤磨损为化学腐蚀创造了条件 加快了化学腐蚀的进行 同时 化学腐蚀生成的疏松产物促进机械 擦伤磨损的进行第二章木工刀具材料及刀具磨损 电化学腐蚀磨 损在碳钢刀具材料 碳素工具钢 合金工具钢和高速钢 中 铁是基 本成分 还含有碳 合金元素及碳化物 在硬质合金 YG类 中 碳 化钨是主要成分 钴是粘接剂 当这些材料制成的刀具切削木材时 刀具材料各组分与木材中的水 溶液 有机弱酸 多元酚化合物接触 除了会发生化学反应外 还 会构成许多微小的原电池 发生电化学反应 形成电化学腐蚀 碳钢中的渗碳体 石墨的电极电位都高于铁及合金元素 在木材内 酸性溶液作用下 铁及合金元素构成原电池的阳极 遭受腐蚀 而 渗碳体作为阴极 不受腐蚀 当含碳量越高时 电极电位差越大 腐蚀就越为严重 硬质合金中的钴和碳化钨存在电位差 钴的电极电位低于碳化钨 当硬质合金刀具接触木材中的电解质时 钴元素作为原电池的阳极 被腐蚀 碳化钨作为原电池的阴极 不受腐蚀 当起粘结作用的钴元素率先被腐蚀时 在机械擦伤作用下 残余的 粘结力不足以抵抗摩擦阻力 碳化钨颗粒就从刀具表面掉下来 促 进刀具的磨损 第二章木工刀具材料及刀具磨损 三 刀具磨损过程及磨损限度时间磨时间磨损面积第二章木工刀具 材料及刀具磨损刀具磨损限度经济磨损限度根据刀具的最长寿命为 原则制定工艺磨损限度能达到的加工精度和粗糙度为原则制定经济 磨损限度根据刀具的最长寿命为原则制定工艺磨损限度能达到的加 工精度和粗糙度为原则制定 1 初期磨损由于切削刃上应力集中 刀具材料缺陷等 磨损量取决于刃磨质量 刀具经研磨后可减小磨损量 特点加工表面质量不稳定 切削力剧增 2 正常磨损磨损面积随时间均匀增加 3 急剧磨损刀具变钝 切削力陡增 切削温度急剧升高 丧失切削 性能第二章木工刀具材料及刀具磨损 四 刀具的耐用度耐用度刀具从开始切削至磨损量达到磨钝标准为 止的总切削时间 即两次刃磨间总的切削时间 T 寿命新刃从投入 切削到报废为止的总切削时间第二章木工刀具材料及刀具磨损影响 刀具耐用度的因素 一 刀具几何形状对耐用度的影响 1 楔角 取 为磨损限度 2W cot 2 90 2 180 L 式中L 切削行程 W 磨损强度讨论当W一定时 L 即楔角小 耐用度高L 即楔角小 耐用度高第二章木工刀具材料及刀具磨损 2 后角取后刀面棱长W b