（机械制造及其自动化专业论文）木质材料高速加工刀具研究.pdf

播要 摘要 木质材料是区别于金属材料的一类特殊材料，它是由多种复杂有机物质组成 的复合体，其中绝大部分是高分子化合物的混合物，除了含有纤维素、半纤维素 和木素之外，还含有水分和各种浸提物，包括石英砂、生物碱及有机弱酸等，甚 至添加胶合材料、固化剂和缓凝剂。因此，木质材料切削过程的变形和受力问题 十分复杂，与金属切削过程存在很大差别，木工刀具的结构设计、材料选用、加 工制造和使用必须有很强的针对性。 木质材料利于高速加工，但加工时必须是非液体冷却切削，且木屑带不走热 量，因此木工刀具刀刃必须锋利，刀体结构易于散热及排屑。另外，木质材料的 含水率和密度对其机械物理性能影响很大，木质材料切削过程实质上是木工刀具 与非均质性和异向性材料发生机械的、热的和化学腐蚀作用的过程。目前，木工 刀具的使用仍没有形成完善的技术规范，其加工性能的测试方法也未统一。 本文以家具加工中最为典型的两种加工形式一一钻孔及封边作为出发点，选 用木工通孔钻和封边刀作为研究对象，以中密度纤维板、渐变结构刨花板、贴面 刨花板和实木做为加工材料，研究了木工通孔钻和可换刀片式封边刀的切削性能， 对钻削木质材料的刀具结构和切削参数进行了优选，最后对超级通孔型整体合金 钻头进行了性能评价。研究结果表明：( 1 ) 通孔钻钻削人造板时轴向力呈“凹弧 状”；钻削实木时，轴向力在一水平线上有较明显的波动，板材密度是影响切削力 大小的重要因素。( 2 ) 木质材料钻削时发生“回弹”，出现负扭矩。( 3 ) 切削速度 和进给量对钻削轴向力和扭矩有显著影响。中密度纤维板材质最均匀，在同一加 工条件下的轴向力波动最小，贴面刨花板在四种板材中非均质性最显著。( 4 ) 正 交实验得出，进给量和刀具结构是影响木质材料钻削特性的主要因素。五刃型通 孔钻钻削四种板材时的轴向力均最小；钻削人造板时，标准型通孔钻产生的扭矩 最小。( 5 ) 封边刀刀齿的切入和切出、实木材料非均质性、强度低和纤维易分离 性等原因是影响铣削时切削力和切削振动的主要因素。( 6 ) 超级通孔型整体合金 钻头技术要求、焊接强度和耐用度均符合行业标准木工销孔钻，用出口毛刺的 面积对钻孔加工质量进行评价。 关键词：木质材料；通孔钻；封边刀；刀具性能；切削力；切削振动 耋三些奎兰三耋璧圭兰堡丝塞 a b s t r a c t w o o d - b a s e dm a t e r i a li sas p e c i a lk i n do fm a t e r i a lt h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h em e t a l i t sac o m b i n a t i o no fm a n yk i n d so fc o m p l e xo r g a n i cm a t e r i a l s ，m o s to fw h i c hi s m i x t u r eo fh i g hm o l e c u l a rc o m p o u n d b e s i d e sf i b e r ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i n ，t h e r e a r es t i l lm a n yo t h e rc o m p o n e n t ss u c ha sw a t e r , e x t r a c t s ，s i l i c as a n d ，a l k a l o i da n d h y d r o c h l o r i ca c i de t c ，e v e ni tc o n s i s t so fs o m eb i n d i n gm a t e r i a la d d i t i v e ，s t a b i l i z e r a n d r e t a r d e r s d u et ot h ec o m p l e xc o m p o n e n t so fw o o d b a s e dm a t e r i a l ，d e f o r m a t i o n a n df o r c ea n a l y s i sd u r i n gc u t t i n gp r o c e s sw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mm e t a lc u t t i n gi s m u c hm o r ec o m p l i c a t e d ，s oi th a st ob ep e r t i n e n tf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，m a t e r i a l c h o i c e ，m a n u f a c t u r i n ga n dt h e u s eo fw o o d - w o r k i n gt o o l s w o o d - b a s e dm a t e r i a li sf a v o r a b l ef o rh i g h - s p e e dm a c h i n i n g ，b u t ，l i q u i d - c o o l i n g m e t h o dd u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s sc a nn o tb et a k e n ，a n dt h ew o o dc h i p sc a nn o t c a r r ya w a yt h eh e a t ，a sar e s u l t ，t h et o o le d g em u s tb es h a r pa n dt h et o o ls t r u c t u r e m u s tb ef a v o r a b l et oh e a t d i s s i p a t i n ga n dc h i pr e m o v a l i na d d i t i o n ，w a t e rc o n t e n ta n d d e n s i t yd og r e a ti m p a c t0 nt h em e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t yo fm a t e r i a l t h e m a c h i n i n gp r o c e s se s s e n c eo fw o o d - b a s e dm a t e r i a li st h ep r o c e s st h a tm e c h a n i c a l ， t h e r m a la n dc h e m i c a lc o r r o s i o ne f f e c tb e t w e e n w o o d w o r k i n g t o o l sa n d h e t e r o g e n e o u s a n d a n i s o t r o p i c m a t e r i a l s a t p r e s e n t ，c o m p l e t e dt e c h n o l o g y s p e c i f i c a t i o ni s s t i l ln o tf o r m a t t e df o rt h eu s i n go fw o o d - w o r k i n gt o o la n dt h e m a c h i n i n gp e r f o r m a n c et e s to f i ti sa l s on o tu n i f i e d t h i sp a p e rc h o o s et w or e p r e s e n t a t i v em a c h i n i n gf o r m si nf u r n i t u r ep r o c e s s i n ga s t h es t a r t ，d r i l l i n ga n de d g e - b a n d i n g ，t h et h r o u g h h o l ed r i l l sa n de d g e b a n d i n gc u t t e ra s t h er e s e a r c ho b j e c t s ，t h em e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ，g r a d u a lc h a n g es t r u c t u r a l p a r t i c l e b o a r da n dv e n e e ro v e r l a y i n gp a r t i c l e b o a r da sm a c h i n i n gm a t e r i a l t h e m a c h i n i n gp e r f o r m a n c e so ft h r o u g h h o l ed r i l la n dd i s p o s a b l ek n i v e se d g e b a n d i n g c u t t e rh a v eb e e ns t u d i e d t h es t r u c t u r ea n dc u t t i n gp a r a m e t e r so ft h r o u g h - h o l ed r i l l s h a v e b e e no p t i m i z e d ，f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fs o l i dc a r b i d es u p e r t h r o u g hh o l ed r i l lh a v eb e e nc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h ea x i a lf o r c e w a s “c o n c a v ec a m p y l o d r o m o u s ”w h e nm a c h i n i n ga r t i f i c i a lw o o d b a s e dp a n e l sb y t h r o u g h h o l ed r i l l ，m o r e o v e r , i tw o u l df l u c t u a t ed i s t i n c t l yw h e nm a c h i n i n gw o o d s o d e n s i t yo fb o a r d si st h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a td og r e a ti m p a c to nc u t t i n gf o r c e ( 2 ) b e c a u s eo ft h er e b o u n d ，t h en e g a t i v et o r q u ea p p e a r e d ( 3 ) c u t t i n gs p e e da n df e e d s p e e dh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo na x i a lf o r c ea n dt o r q u e f o rt h es f l n l em a c h i n i n g c o n d i t i o n ，t h ef l u c t u a t i o no fa x i a lf o r c ei st h es m a l l e s tw h e nm a c h i n i n gm d f ，b u tt h e v e n e e r o v e r l a y i n g p a r t i c l e b o a r di st h e b i g g e s t ( 4 ) t h r o u g ht h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，i tc a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h es t r u c t u r ea n df e e da r ct h em a i nf a c t o r s t h a ti m p a c td r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c t h ea x i a lf o r c ei ss m a l l e s tw h e nd r i l l i n gt h ef o u r k i n d so fb o a r d su s i n gf i n et h r o u g h h o l ed r i l l ；t h et o r q u ei ss m a l l e s tw h e nd r i l l i n g b o a r d sb ys t a n d a r dt h r o u g h h o l ed r i l l ( 5 ) c u t t i n g - i na n dc u t t i n go u to fe d g e - b a n d i n g c u t t e rt o o t h ，h e t e r o g e n e i t yo fw o o d ，l o wi n t e n s i t ya n df i b e re a s ys e p a r a t i o n sa r et h e m a i nf a c t o r st h a t i m p a c tc u t t i n g f o r c ea n d c u t t i n gv i b r a t i o n ( 6 ) t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，w e l ds t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yo fs o l i dc a r b i d es u p e rt h r o u g hh o l ed r i l l c o m p l e t e l ya c c o r dw i t h t h ee x i t i n g b u r ra r e ah a sb e e nu s e dt oe v a l u a t et h em a c h i n i n gq u a l i t y k e y w o r d s ：w o o d b a s e dm a t e r i a l ；t h r o u g h - h o l ed r i l l ；e d g e - b a n d i n gc u t t e r ；t o o l p e r f o r m a n c e ；c u t t i n gf o r c e ；c u t t i n gv i b r a t i o n 广东工业大学工学硕士学位论文 符号说明 符号 名称单位 f x进给分力 n 毋 径向分力n ，：轴向力n f切削合力n 4 z进给方向振动幅值 v 彳y径向方向振动幅值 v 万主轴转速t | r a i n j进给量 m n v r 圪切削速度 m s 吩 进给速度 m m i n 唧 切削深度 n l m i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明，并表示感谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 木质材料可划分为实木和木质人造材料。实木郎通常意义的木材，指树木的 树干部分。木质人造材料是利用实木和以实木( 或其废料) 为主要原料，经过机 械加工、物理化学处理而得到的具有实木基本特性和主要组分的材料。木质材料 质轻透气、隔热保温、强重比高和隔声性好，因此被广泛用于家具、建筑、装饰、 车辆和船舶等行业，尤其在家具行业中用量巨大。 木工刀具是指用于切削木质材料的工具。我国虽然是木质材料生产、家具生 产和木工机械生产大国，但木工刀具制造业相对比较薄弱。在木工刀具结构的设 计、刀具材料的应用以及刀具的使用参数等方面，技术并不成熟，与木工机械的 发展相比存在不少差距；耐用度高、加工质量好、适合于目前高速化、自动化生 产线的高性能木工刀具更加紧缺。国内木工钻头使用转速在5 ，0 0 0 r m i n 以上算高 速钻削，铣刀的使用一般只要求达到1 2 ，0 0 0 r m i m 国外木工钻头转速要求已经达 到1 0 ，0 0 0 r m i n 以上，对钻头在高速加工条件下的性能提出很高的要求。可见，国 内木工刀具的科技水平急需得到快速提升。 木质材料为多组分的复杂混合体，这一特点决定了木工刀具的结构、材料和 使用的特殊性。木质材料切削过程实质上是木工刀具与非均质性和异向性材料发 生机械的、热的和化学腐蚀作用，刀具前后刀面的材料不断消失的过程。木质材 料中的硬质点、水分、有机弱酸等都是造成刀具磨损的重要因素。木工刀具材料 必须针对上述特点进行选择。木质材料利于高速加工，但加工时必须是非液体冷 却切削，且木屑带不走热量，因此木工刀具刀刃必须锋利，刀体结构易于散热及 排屑。木质材料作为复杂的复合组分材料，含水率也对材料的机械物理性能影响 很大，因此木质材料切削过程的变形和受力问题十分复杂。目前，木工刀具的使 用仍没有形成完善的技术规范，其加工性能的测试方法也未统一，只能简单地以 刀具使用寿命作为评价指标，没有综合考虑加工过程中的机床振动、噪声、断屑、 工件加工质量等问题。 因此，本文开展对常用的典型木工刀具切削性能的研究，掌握其在高速加工 过程中的一般性和特殊性；研究高速切削过程的切削力、切削振动、刀具耐用度 广东工业大学工学硕士学位论文 及加工质量等各种规律，不仅能为高速切削木质材料工艺参数的优化、刀具结构 优化及寿命的提高提供必要的理论依据，对木工刀具在家具制造等行业中得以合 理地使用，刀具制造水平的提升，推动我国木工刀具行业的快速发展也有很大的 实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 木质材料的发展及应用状况 木质材料是一个品种繁多，性能差异较大的材料体系，其具体分类如图1 1 所示。 图1 - 1 木质材料分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fw o o d b a s e dm a t e r i a l s 实木是有由多种复杂有机物质组成的复合体，其中绝大部分是高分子化合物 的混合物，实木除了含有纤维素、半纤维素和木素之外，还含有水分和各种浸提 物，包括石英砂、生物碱及有机弱酸等( 单宁、醋酸、多元酚类化合物等弱酸) 【。 常用的软木主要有红松、白松、樟子松、椴木、杨木等；常用的硬木主要有核桃 木、黄菠萝、樟木、楸木、楠木、水曲柳、槐木、柚木、紫檀、橡木等。 2 第一章绪论 改性木材是以实木为基材，利用实木的孔隙性对实木进行涂刷、浸渍( 或压 力浸注) 药物的方法或进行加热加压的方法而制成的具有某一物理特性的材料。 木质复合材料则由木质材料和塑料等其他材料复合而成。 人造板是利用实木或其加工剩余物经过机械加工分离，再添加胶粘剂，高温 压制而成。它是目前木质材料中发展最快、使用最多和应用最广的一类产品，是 现代木质人造材料的主体。人造板工业能高效利用实木或其他植物纤维资源、缓 解实木供需矛盾，是世界林产工业的支柱产业。近二十年，随着世界人造板工业 的发展，我国人造板工业也得到了飞速的发展。进入2 l 世纪，随着我国改革开放 和社会经济的发展，据专家预测：我国人造板市场消耗量到2 0 1 5 年将达到3 3 0 0 - 4 5 0 0 万m 3 ，在2 0 0 1 年人造板产量的基础上增长约8 5 1 z j 。 人造板材的品种非常多，常见的有胶合板、中密度纤维板、刨花板、细木工 板、硬质纤维板、装饰用贴面板等。表l 一1 列出了其中几种典型人造板的类型、 用途分类和加工性能。 表1 - 1 典型人造板材料 t a b 1 1t y p i c a lw o o d b a s e dp a n e l s 阔叶树材 人造板类型针叶树材胶合板 刨花板中密度纤维板 胶合板 阔叶树材单板、刨花长度 一o ) | 亡ls兰等量ido之 2 0 8 6 4 2 o (一o一备一矾嚣-ui等暑ii厶唇 第三章封边刀切削性能研究 3 3 2 3 切削深度 封边刀高速铣削实木时，增加切削深度，刀具被实木材料包裹的圆周面增加， 切削过程中被加工材料对刀具的支撑作用增强，刀具的切削振动减弱；但切深不 可太大，否则单位时间的材料去除量太多，切削阻力太大，反而导致切削振动加 剧。如图3 1 2 所示，随着切削深度的增加，进给方向振动幅值和径向方向振动幅 值波动变化不规律，但从总体上，在切深o 8 m m 时，振幅可看成有下降的趋势， 从切深0 8 m m 变化到1 o m m 时，振幅又出现回升。 1 4 ： = 苎二生 c u t t i n gc o n d i t i o n ： 圪= 5 8 6 1m s 吁= 4 m m i n 唧= 0 2 ，0 4 ，0 6 ，0 8 ，1 0m m b o a r d ：w o o d t o o l ：e d g eb a n d i n gc u t t e r 0 2 u 40 o08lu 如( ) 图3 1 2 切削深度对振动幅值的影响 f i g 3 1 2e f f e c to fd e p t ho fc u to na m p l i t u d ei n t e n s i t y 3 4 本章小结 本章通过封边刀高速铣削实验，研究了切削速度、进给速度和切削深度对铣 削过程中的铣削力及振动的影响。结果表明： ( 1 ) 封边刀刀齿的切入和切出、实木材料非均质性、强度低和纤维易分离性 等原因是影响切削力和切削振动的主要因素。 ( 2 ) 随着切削速度的增加，切削力先增大后减小，切削振动总体上呈增大的 趋势。 ( 3 ) 进给速度的增大均引起切削力和切削振动的降低。 ( 4 ) 切削深度对切削力和切削振动的影响不规律，但在一定深度范围内，随 着切深的增加，切削力( 切深为o 6 m m 1 o m m 时) 和切削振动( 切深为0 2 m m o 。8 r a m 对) 均有减小的趋势。 2 o 8 6 4 2一_。一各兽皇ch廿口暑=a吕 广东工业大学工学硕士学位论文 第四章木工刀具性能评价测试 本章以国家行业标准木工销孔钻( j b t9 9 4 7 - 1 9 9 9 ) 为依据，主要通过超级 通孔型整体合金钻头的焊接强度拉伸性能实验、剪切性能实验和耐用度实验，分 析了钻头的磨损过程和钻孔加工质量，对超级型通孔钻性能进行了评价。 4 1 实验 由于刀具角度等参数由生产厂家提供，因此本实验主要进行焊接强度和耐用 度的实验测试。 4 1 1 实验系统 ( 1 ) 焊接强度实验在标准万能试验机上进行标准试样的拉伸和剪切实验， 测定刀具焊接部分在室温条件下的拉伸断裂和剪切断裂的临界力，并计算拉伸和 剪切强度。 ( 2 ) 耐用度实验由于耐用度实验周期长，本实验选择了自动化程度较高， 稳定性好的立式加工中心代替普通木工钻床进行实验。实验系统由显微拍摄系统 和立式加工中心组成。工件为中密度纤维板，刀具为超级型通孔钻。实验前，对 钻孑l 路线进行n c 编程，钻削一定孔数后，把钻头取下用体式显微镜观察并拍摄 后刀面的磨损情况。图4 1 为通孔钻耐用度实验示意图。 钻头 0 学瓦广雨 您毒詈 ffooo 钻头0 一囤一圃 图4 - l 通孔钻耐用度实验示意图 f i g 4 - 1s c h e m a t i co fe x p e r i m e n ts y s t e m 第四章术工刀具性能评价测试 4 1 2 实验设备 ( 1 ) 测试机床微机控制电液伺服万能试验机，w a w - 5 0 0 c ，济南试验机厂制 造。 ( 2 ) 加工机床j 1 v m c 4 0 m 加工中心( 济南第一机床厂生产) ，见图4 - 2 ( a ) 。 ( 3 ) 刀具 超级型通孔钻2 支，规格为甲3 5 7 和e 5 x 5 7 。见图1 8 ( c ) 。 ( 4 ) 工件材料：中密度纤维板m d f ，规格为3 4 0 x 3 4 0 x 1 8 。 ( 5 ) 显微摄影观察仪器：北京泰克仪器有限公司的x t 5 3 0 2 2 c t v 高倍连续变 倍摄影体视显微镜，p a n a s o n i c ( 松下) w v - c p 4 6 0 c h 彩色闭路监控摄像机，见 图4 - 2 ( b ) 。 ( a ) 立式加工中心 ( b ) 体视显微镜 图4 2 实验设备和仪器 f i g 4 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 4 2 实验方案及分析方法 4 。2 1 实验方案 ( 1 ) 按照国家标准g b8 6 t 9 - 8 8 “钎缝强度试验方法”制各标准试样，测定和 计算刀具焊接部分在室温条件下的拉伸和剪切强度。 ( 2 ) 耐用度实验为使用超级型通孔钻自新刀开始，钻削中密度纤维板( m d f ) ， 直至刀具磨损的过程，实验切削参数见表4 1 。通过n c 编程，设置钻头在每块板 材上连续钻削6 0 0 个孔后主轴停止，取下钻头用体式显微镜观察并拍摄后刀面的 磨损情况。 5 3 广东工业大学工学硕士学位论文 表4 - 1 切削参数 t a b 4 1c u t t i n gp a r a m e t e r s 刀具规格 月( r r a i n )砟( m m i n ) f ( m m r ) 舴( m m l n ) 唧( r a m ) 0 3 x 5 7 2 1 2 22 00 2 0 4 2 4 4 1 8 0 5 x 5 72 5 4 64 0 0 2 0 ，5 0 9 2 1 8 4 2 2 实验数据分析方法 ( 1 ) 实验过程中记录钻孔数量，用数码相机拍摄孔的入口和出口的照片，用 于刀具寿命评价。 ( 2 ) 用游标卡尺测量孔径变化。 ( 3 ) 在d e s i g n e r 软件里勾勒出显微镜拍摄的钻头后刀面磨损区域，计算区域 的面积，通过放大倍数换算成后刀面的真实磨损面积。研究刀具磨损对加工过程 的影响。 ( 4 ) 利用出口照片形貌，在d e s i g n e r 软件里勾勒出毛刺的区域，计算区域面 积，通过放大倍数换算成毛刺的真实面积。对加工质量进行评价。 4 3 实验结果及讨论 4 3 1 焊接强度 ( 1 ) 抗拉强度 取1 1 个试样进行抗拉强度实验，图4 3 为试样1 0 的拉伸过程曲线。表4 2 为抗拉强度实验结果。 弋 j 一【 图4 - 3 试样1 0 的拉伸过程曲线 f i g 4 - 3t e n s i o np r o c e s sc b r v eo fs a m p l e1 0 葛 寻 侣 竹 5 o 一，里一l 表4 2 抗拉强度试验结果 t a b 4 - 2r e s u l to ft e n s i o ne x p e r i m e n t 拉伸断裂载钎缝面积 抗拉强度( m p a ) 试样编号= 拉伸断裂载荷焊缝 荷( k n )( m m 2 ) 面积 l2 0 0 0 22 i 8 6 32 4 3 3 4 2 1 4 1 52 1 1 7 62 3 4 27 5 4 71 9 7 4 8 2 3 3 8 92 4 2 0 l o2 2 3 8 1 l2 5 1 4 样本均值x 2 2 5 样本方差s 2 3 2 总体均值9 9 置信区间 2 2 5 1 82 9 8 4 2 3 9 ( m p a ) ( 2 ) 抗剪切强度 取1 2 个试样进行抗剪切强度试验，图4 4 为试样8 的剪切过程曲线。表4 3 为抗剪切强度试验结果。 一f o e ( k n ) 口m 图4 - 4 试样8 的剪切过程曲线 f i g 4 4s h e a r i n gs t r e n g t hp r o c e s sc u r v eo fs a m p l e8 阳盖；蚰寻仲0 一zz一咒-|q一 广东工业大学工学硕士学位论文 表4 - 3 抗剪切强度试验结果 t a b 4 - 3r e s u l to fs h e a r i n gs t r e n g t he x p e r i m e n t 拉伸断裂载荷钎缝面积 抗拉强度( m p a ) 试样编号= 拉伸断裂载荷焊缝 ( k n ) ( m m 。) 面积 1 7 1 5 0 27 4 1 0 37 3 4 0 47 0 4 0 57 1 7 5 67 3 0 0 2 5 1 2 77 1 4 0 87 2 1 5 97 4 7 0 其他三次为刀杆材料断裂， 未计入 样本均值 7 2 5 0 x 样本方差 1 7 5 2 s 总体均值 9 9 置信7 2 5 1 62 8 8 6 6 4 ( m p a ) 区间 ( 3 ) 与焊接母材强度的比较 标准试样所用材料中碳钢的抗拉强度7 0 0m p a 以上，硬质合金的抗弯强度为 2 7 4 0 n m m 2 ，远大于标准试样的焊缝抗拉强度2 9 8 4 士2 3 9 ( m p a ) ，抗剪切强度 2 8 8 6 士6 4 ( m p a ) 。 4 3 2 刀具磨损与加工质量 4 3 2 1 刀具寿命 表4 4 为耐用度实验结果总结。从表中可以看出，直径较小的0 3 通孔钻进 入磨损阶段较快，在钻削4 ，8 0 0 个孔时，入口就开始出现毛刺，比0 5 通孔钻提早 了6 0 0 个孔的数量。两者钻孔出口出现毛刺时的钻孔数一致，都为6 0 0 个孔。0 3 通孔钻所钻的第6 0 0 个孔的出口质量比0 5 的差。实验后工件上的孔在入口处没 有烧痕和缺口，通孔钻没有崩刃和显著磨钝现象，并能继续使用。实验结果符合 行业标准木工销孔钻。 第四章术工刀具性能评价测试 表4 - 4 耐用度实验结果总结 1 t a b 4 4r e s u l to ft h et o o 1 i f ee x p e r i m e n t 入口出现毛刺出口出现毛刺 刀具规格总钻孔数和出入口情况 时的钻孔数时的钻孔数 4 ，8 0 0 6 0 0 钻孔总数1 5 0 0 0 0 3 5 7入口处未出现烧痕和缺 口，出口毛莉严重。 5 ，4 0 0 6 0 0 钻孔总数1 7 。4 0 0 0 5 x 5 7入口处未出现烧痕和缺 口，出口毛刺严重。 刀具出现较小磨损，出口处未加挡板，刀具出现均匀磨损带， 分析原因 锋利程度下降使得毛刺较早出现 但未出现明显破损 4 3 2 2 钻孔孔径 由于刀具磨损过程中会对加工孔的直径和质量产生一定的影响，用游标卡尺 对孔的直径进行测量。如图4 5 、图4 - 6 所示，0 3 通孔钻在钻孔1 5 ，0 0 0 个后，孔 径未超出加工偏差；0 5 通孑l 钻在钻孔1 7 ，4 0 0 个后，孔径未超出加工偏差。孔径 变化数据记录详见附录4 。 广东工业大学工学硕士学位论文 n 2 1 2 2r r a m ，v = 2 0 n y m m ，f = 0 2 n m l , a p = l s t r a n b o a r d ：m d f t o o ls o l i d c a r b i d e s u d 日f i l mh o l ed r i l l0 3 x5 7 1r oi：。j。j。，一 13 0 x )6 0 0 09 0 0 01 2 0 0 0l ，d 。0 n u m b e ro f h o l e n22 5 4 6 r ，m u 0 ，m l n f 2 0 2 m 吡铲1 8 b o a r dm d f t o o ls o l i d c a r b i d e g t h i n h o l e 圳o s x5 7 l o 0 ：- - - - - - - - - - - - - - - j - - - - - - - - - 、- - l - - ，- - ：- - - - - - - - - - ，- - - - j - ，- - - j 1 3 0 0 0 6 0 0 09 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0 n u m b e ro f h o l e 图4 - 5 孔径变化曲线( 0 3 m m )图4 - 6 孔径变化曲线( 0 5 m m ) f i g 。4 - 5c h a n g eo fd i a m e t e ra b o u th o l e sf i g 4 - 6c h a n g eo fd i a m e t e ra b o u th o l e s 4 3 2 3 后刀面磨损 观察发现，钻孔6 ，0 0 0 个后，刀具后刀面开始出现均匀磨损带。钻孔超过1 5 ，0 0 0 个后，刀具出现了均匀磨损带，但未出现明显破损。部分后刀面磨损照片如表4 5 和表4 6 所示。 由图4 7 看出，在钻削m d f 加工6 ，0 0 0 个孔后，刀具磨损仍然很小，随钻孔 数的增加磨损量呈缓慢递增的趋势，钻孔量到达9 ，0 0 0 个后，直径为3 m m 的通孔 钻磨损急速加剧，但直径为5 m m 的通孔钻磨损量趋于平稳，仍没有进入急速磨 损阶段。 表4 - 5 后刀面磨损过程( 0 3 m m ) t a b 4 5p r o c e s so ff l a n kw e a r r _ i 5 4 3 2 一县e一-3q；哥一o k p _ _ i 2 一量甚一矗19暑bl盆 第四章木工刀具性能评价测试 表4 - 6 后刀面磨损过程( 0 5 m m ) t a b 4 6p r o c e s so ff l a n kw e a r 3 0 0 06 0 0 0 9 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0 h o l e n u m b e r ( a ) 0 3 m m 3 0 0 06 0 0 09 0 0 01 2 0 0 01 5 0 h o l e n u m b e r 图4 7 磨损过程 ( b ) 0 5 r a m f i g 4 - 7p r o c e s so fw e a r 4 3 2 4 加工质量 刀具磨损直接影响钻削加工质量。本实验用出口毛刺的面积作为衡量加工质 量指标。表4 7 为出口毛刺随钻孔数增加的变化过程，图4 8 为计算的所对应孔 的毛刺面积的变化情况。可以看出，当钻孔3 0 0 0 个时，两种通孔钻钻削的出口毛 刺均很少，加工质量较好。随着钻孔数量的增加，出口毛刺面积逐渐增大，它与 刀具磨损随钻孔数量增加而加剧存在一定的对应关系。另外，直径为5 m m 的通 5 4 3 2 1 o 一e皇_o一i一日hku 广东工业大学工学硕士学位论文 薯 曼 黑 售 2 2 1 2 2r r a i n , v - - 2 0 n v m i n , f 。0 2 m n l f , a p = t s m m b o a r d ：m d f 2 5 卫型：! ! 竖! 垄些! 坚塑! 塑! ! 坚! 望兰! ! 3 0 0 06 0 0 0 9 0 ( 3 0 t 2 0 0 0t 5 0 1 x i n u m b e ro f h o l e ( a ) 0 3 r a m n 2 5 4 6r m i “v - - 4 0 m m 衄f 。02 n 眦a p = t s m m b o a t d ： t o o ls o l i dc a r b i d es a g e r t h r u h o l ed r i l l0 5 x5 7 3 0 0 06 0 0 09 0 0 0 2 0 0 01 5 0 0 0 n u m b e ro f h o l e 图4 8 毛刺面积变化 f i g 4 8c h a n g eo fb u r ra r e a 6 0 ( b ) 0 5 r a m ，- 0 一 p，ir 柏 圩 m ， 一h旨gv_譬昔： 第四章木工刀具性能评价测试 4 3 刀具性能评价 ( 1 ) 刀具制造的技术要求根据厂家提供的数据：通孔钻刀柄材料采用符合 g b 6 9 9 规定的4 5 # 钢制造，刀体和刀头材料采用符合i s o 规定的k 1 0 ，刀具表面 没有黑斑、裂纹、锈蚀、崩刃和烧伤等缺陷，切削刃后刀面r z = 3 2 ，刃带各表面 r z = 3 2 ，钻尖各表面r z = 3 2 ，沟槽各表面r z = 6 3 ，刀柄表面r z = 3 2 ，刀体直径 对刀柄轴线的径向圆跳动为o 0 4 m m ，刀体直径的倒锥度为o 5 。1 。以上均符合 行业标准木工销孔钻( j b t9 9 4 7 1 9 9 9 ) 中对刀具的技术要求。 ( 2 ) 焊接强度焊缝抗拉强度为2 9 8 4 a ：2 3 9 ( m p a ) ，抗剪切强度为2 8 8 6 士6 4 ( m p a ) ，符合行业标准木工销孔钻( j b t9 9 4 7 - 1 9 9 9 ) 中“焊缝的剪切强度应 不低于1 2 0 m p a ”的要求。 ( 3 ) 刀具寿命加工1 5 ，0 0 0 个孔后仍能继续使用。 ( 4 ) 加工质量加工1 5 ，0 0 0 个孔后，入口处未出现烧痕和缺口，出口毛刺严 重。 评价：该通孔钻技术要求和焊接强度均符合行业标准木工销孔钻( i b t 9 9 4 7 - 1 9 9 9 ) ，耐用度高，在加工了1 5 。0 0 0 个孔后仍能继续使用，比行业标准中要 求的1 0 0 0 个孔，超出1 4 ，0 0 0 个。入口处未出现烧痕和缺口，虽然出口毛刺严重， 但可以通过在孔的底部添加档板的方法减少毛刺。 4 4 本章小结 超级通孔型整体合金钻头技术要求和焊接强度均符合行业标准木工销孔钻 ( j b t9 9 4 7 1 9 9 9 ) ，耐用度高，在加工了1 5 ，0 0 0 个孔后，入口处未出现烧痕和缺 口，但出口毛刺严重；钻孔孔径随刀具磨损的变化较小，未超出加工偏差；钻削 6 0 0 0 个孔后，后刀面仍没有进入急速磨损阶段。出口毛刺随钻孔数量的增加而增 大。钻头直径越大，刀具磨损后加工质量变差的趋势越快。 6 1 广东工业大学工学硕士学位论文 结论与展望 一结论 本文针对四种木工通孔钻和可换刀片式封边刀进行了大量的实验研究，得出 了如下主要结论： 对于通孔钻： ( 1 ) 通孔钻在钻削人造板时，轴向力呈“凹弧状”，这与板材的密度在厚度方 向上呈由外向内逐渐减小有关；钻削实木时，轴向力在一水平线上有较明显的波 动，这与实木中存在大量孔隙有关。 ( 2 ) 钻削木质材料时由于通孔钻被“回弹”，因此出现负扭矩。 ( 3 ) 随着切削速度的提高，钻削轴向力有下降的趋势；扭矩则随着切削速度 的提高呈现出“凹弧状”的变化趋势。切削速度在3 1 4 m s 4 1 9 m s 时利于减小 扭矩。 ( 4 ) 钻削轴向力随进给量的增加显著增加：扭矩随进给量的增加波动较大， 但整体上也是增大的趋势。 ( 5 ) 板材密度是影响切削力大小的重要因素。四种板材中，中密度纤维板材 质最均匀，在同一加工条件下的轴向力波动最小，其次是实木地板、渐变结构刨 花板和贴面刨花板；实木地板扭矩波动最小，其次是渐变结构刨花板、中密度纤 维板和贴面刨花板。贴面刨花板在四种板材中非均质性最显著。 ( 6 ) 正交实验得出，进给量和刀具结构是影响木质材料钻削特性的主要因素。 进给量的增加使轴向力增加。不同刀具结构对轴向力和扭矩的影响不同。五刃型 通孔钻钻削四种板材时的轴向力均最小；钻削人造板时，标准型通孔钻产生的扭 矩最小，欧洲型通孔钻和五刃型通孔钻次之，超级型通孔钻扭矩最大，与单因素 实验中刀具对扭矩的影响相符。 对于封边刀： ( 1 ) 封边刀刀齿的切入和切出、实木材料非均质性、强度低和纤维易分离性 等原因是影响切削力和切削振动的主要因素。 ( 2 ) 随着切削速度的增加，切削力先增大后减小，切削振动总体上呈增大的 趋势。 结论与展望 ( 3 ) 进给速度的增大均引起切削力和切削振动的降低。 ( 4 ) 切削深度对切削力和切削振动的影响不规律，但在一定深度范围内，随 着切深的增加，切削力( 切深为o 6 m m 1 o m m 时) 和切削振动( 切深为o 2 m m 0 8 r a m 时) 均有减小的趋势。 对于超级通孔型整体合金钻头的性能评价： 超级通孔型整体合金钻头技术要求