基于三维显微系统的纤维板加工柄铣刀磨损研究 青龙， 邢东， 红岭， 吕悦孝

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基于三维显微系统的纤维板加工柄铣刀磨损研究
青龙， 邢东， 红岭， 吕悦孝

【作者机构】	内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院
【来    源】	《林产工业》 2025年第3期 P52-56

摘 要：以中密度纤维板为试验材料，采用钨系硬质合金镶焊齿柄铣刀对其进行开槽铣削，利用激光三维显微系统测定刀刃的基本参数。通过对比开槽铣削加工后的刀刃锐利度，分析计算刀刃磨损量，并探究切削长度对刀刃锐利度和磨损量的影响。结果表明：木质材料铣削加工柄铣刀锐利度测定合适的放大倍率约为400倍；当切削速度为4.84 m/s，切削长度分别3 631、7 263、10 890 m时，主刀刃锐利度分别为7.4、9.9、13.1 μm，磨损量分别为6.4、9.2、13.9 μm，当切削长度超过8 000 m时，刀具的磨损加速增大；主刃和副刃锐利度变化相近，但磨损量差距明显，受刀角影响显著；根据加工精度要求，进一步优化刀具角度可以延长刀具使用寿命。

关键词：柄铣刀； 3D显微系统； 刀刃锐利度； 刀刃磨损量； 切削长度

[size=1em]铣削是木材加工中应用最广泛的切削加工方式之一，特别是在板式家具生产中普遍采用柄铣刀进行裁板、开槽铣削及表面成型加工。刀刃形状及磨损直接影响到加工精度、表面粗糙度、刀具寿命、生产效率及生产成本。而且国家“双碳”战略背景下木材工业绿色低碳发展必须开发高效率、低能耗和高精度加工技术[1-4]。为保证制品质量和加工系统运行的稳定性和可靠性，需要对刀具磨损状态进行监测。研究表明，在机械加工过程中，配备刀具磨损监测设备能有效减少75%的故障停机时间，提高生产效率10%～60%，机床的利用率能提高50%以上[5]。

[size=1em]刀具形状锐利度的测定评价对于刀具磨损、加工精度及加工工况检测至关重要。刀具磨损是机械、物理、化学、发热等综合作用的结果，其机理十分复杂。为此，对刀具性能特点及磨损方面进行研究，即采用重量法测定刀具磨损[6]，木工刀具磨损特性及磨损量建模[7-9]、切削热仿真分析及磨损预测[10-12]，不同测试原理的刀具磨损在线检测[13-20]，切削参数对木质材料铣削刀具磨损特性及加工质量的影响[21-24]，刀刃轮廓与SEM扫描电镜测定结合的方法[25]等。目前，虽涌现出一系列刀具磨损状况检测方法，但很多方法在实际应用中却存在局限性[26]，且没有通用的较理想的刀具磨损检测方法和磨损测定评价方法。在切削过程中，当刀具磨损到一定程度时，无论是机床，工件，还是刀具本身，均会受到较大的影响。因此，本研究中采用激光三维显微系统[27]，测试硬质合金柄铣刀基本参数，切削速度相同时，分析讨论切削长度对刀刃锐利度及磨损量的影响。在此基础上，进一步总结柄铣刀锐利度测定简便合理的方法，以期为木质材料加工刀具的磨损测定、磨损量分析及磨损监控提供参考依据。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]鉴于木材各向异性对切削刀具及参数影响的复杂性，选用均质性能较好的中密度纤维板作为试验材料（密度0.56 g/cm3、含水率12.3%、静曲强度30.1 MPa）。刀具采用市场上流通的钨系硬质合金镶焊齿直刃柄铣刀，主刃（侧刀刃）长度为30 mm，副刃（端刀刃）长度为2 mm，并设有8、10、12 mm刀具刃径，即名义铣削开槽宽度分别为8、10、12 mm。通过2 组共6 把柄铣刀进行重复试验后取平均值作为测定值。

1.2 试验设备

[size=1em]刀具角度及锐利度测定采用基恩士公司生产的VKX150 型形状测量激光三维显微系统。铣削加工采用松玉联创公司生产的型号为LXSGX-B5 的四工序开料数控铣床，额定最大进给速度为12 m/min，最大主轴转数为18 000 r/min，工作台尺寸为1 380 mm×2 750 mm，安装刀柄长度为12.7 mm的柄铣刀。铣床主轴实际转速采用基恩士公司生产的LK-H008 型高精度激光位移测试仪测定。

1.3 试验方法

[size=1em]1.3.1 刀具锐利度和角度测定

[size=1em]用激光三维显微系统测定刀具楔角、锐利度及直线度等参数。图1 放大倍数为400、直径为8 mm未磨损刀具的主刃尖部图像，其中图1a为激光颜色图、图1b为颜色高度图、图1c为三维形状图。

[size=0.8em]图1 硬质合金刀具形状测定
Fig.1 Measurement of carbide tool shape

[size=1em]主刃角度和锐利度测定时，每个切削刃分别取尖部开始0～1mm内、2～3 mm内、5～6 mm内的3 处每个测试处均等四分后，测中间3 个点垂直面内的刀角和圆弧半径，并计算平均值作为测定值。副刃角度和锐利度测定与主刃方法类似。图2 放大倍数为400，对图1 中的主刃角度和刀刃圆弧半径进行测量。

[size=0.8em]图2 刀具锐利度和刀角测定
Fig.2 Measurement of tool angle and edge sharpness

[size=1em]1.3.2 柄铣刀开槽铣削磨损试验

[size=1em]选定刀具进给速度为6 m/min，开槽铣削深度为10 mm，同时设置不同开槽长度（300、600、900 mm）和主轴转数（7 710、9 250、11 560 r/min），以及开槽宽度（刀具初始刃径，分别为8、10、12 mm）等试验条件，测定刀刃锐利度及磨损量。刀具端面形状及铣削轨迹如图3 所示。

[size=0.8em]图3 开槽铣削刀具路径示意图
Fig.3 Schematic diagram of slotting milling tool path

2 结果与分析2.1 放大倍率对刀角和锐利度测定值的影响

[size=1em]采用激光三维显微系统，在200、400 倍及1 000 倍的不同放大倍数下，测定刀具楔角及圆弧半径，如图4 所示。

[size=0.8em]图4 不同放大倍率下刀角和锐利度测定
Fig.4 Measurement of tool angle and sharpness at different magnifications

[size=1em]从图中可以看出，当放大倍数为200 倍时，放大倍数相对小圆弧半径测试选取点较难，因而出现无法测试或测定值过大的情况。当放大倍数为1 000 倍时，轮廓线高度差明显增大，选取测试点困难，且会增大测试误差。因此，放大倍数为400 倍时较合适。

2.2 刀具磨损测定与磨损量分析

[size=1em]选定400 倍放大倍数，测定未磨损刀具刀刃锐利度（圆弧半径）和不同开槽铣削条件下的刀刃尖部、3 mm和6 mm部位的锐利度和刀角。图5 为切削速度相同时，不同开槽条件下的主刃尖部磨损形貌。图5a为刀具直径10 mm、切削长度3 631 m；图5b为刀刃直径12 mm、切削长度7 263 m；图5c为刀具直径8 mm、切削长度10 890 m时的磨损刀刃三维形貌图。

[size=0.8em]图5 不同切削长度的主刀刃尖部三维形貌
Fig.5 Three-dimensional morphology of main cutting edge tip with different cutting lengths

[size=1em]从图中可以直观观察到刀刃磨损带宽度变化及磨损微观形貌颜色的不同。测得刀具主刃刀角在48.8°～52.1°，副刃刀角在76.7°～79.7°。根据刀具楔角、刀刃直线度、刀刃磨损带及刀刃微观形貌的综合分析，本研究中采用刀具楔角等分线上的刀刃后退量来评价刀刃磨损量。通过刀具楔角、初始刀刃圆弧半径及磨损后的刀刃圆弧半径计算该刀具磨损量，如公式（1）所示：

[size=1em]式中：Wh为刀刃磨损量，μm；α0 为刀具楔角，°；R0 为未磨损刀具圆弧半径，μm；R1 为磨损后刀具圆弧半径，μm。

2.3 切削长度对刀刃锐利度及磨损量的影响

[size=1em]刀具使用寿命与刀具磨损直接相关，一般采用切削长度、切削时间、重量变化及体积变化等参数进行评价。结合本研究实际条件，采用切削长度评价对刀刃锐利度及磨损量的影响。

[size=1em]2.3.1 切削速度分析与计算

[size=1em]开槽铣削加工属于闭式完全铣削。柄铣刀2 个刀片的4 个刀刃交替完成切削。开槽加工中，切削速度与铣削宽度（刀刃直径）、主轴转速有关，可使用公式（2）进行计算：

[size=1em]式中：VC为切削速度，m/s；D为柄铣刀刀刃直径，mm；N为主轴转速，r/min。

[size=1em]当开槽铣削宽度分别为8、10、12 mm，实际测得的3 种主轴转速分别为11 560、9 250、7 710 r/min时，计算得到切削速度均为4.84 m/s。

[size=1em]2.3.2 切削长度与刀刃锐利度及磨损量关系分析

[size=1em]为探究切削长度对刀刃锐利度及刀具磨损量的影响，对切削长度进行分析计算。切削长度与刀具刃经、主轴转速、刀齿数、加工槽的长度、进给速度等有关，用以下公式（3）计算每个刀刃的切削长度。

[size=1em]式中：LC为切削长度，m；R为刀具半径，mm；N为主轴转速，r/min；S为开槽长度，m；V0 为进给速度，m/s；K为刀齿数。

[size=1em]当切削速度为4.84 m/s，开槽长度分别为300、600、900 m，开槽宽度分别为10、12、8 mm时，对对应3 种情况下的主轴转速进行测定，计算得到的切削长度分别为3 631、7 263、10 890 m。切削长度与刀刃锐利度变化及刀刃磨损量的关系如图6 和图7 所示。

[size=0.8em]图6 切削长度与主刃锐利度变化及磨损量的关系
Fig.6 Relationship between cutting length and change in sharpness of main edge and amount of blade wear

[size=0.8em]图7 切削长度与副刃锐利度变化及刀刃磨损量的关系
Fig.7 Relationship between cutting length and change in sharpness of secondary edge and amount of blade wear

[size=1em]从图6 中可以看出，未磨损刀刃锐利度相近，集中在3 μm左右。随着切削长度的增大刀刃锐利度持续增大，在本试验范围内基本趋于正比例关系。刀具磨损量随着切削长度的增加而增大，在切削长度8 000 m之前时，刀具磨损量的增长趋势较为一致。继续进行切削加工，刀刃磨损加速增大。这可能是因为，随着切削长度的增大，刀具与工件之间的接触摩擦增大，导致切削热急剧增加，刀具表面温度升高，进而加速刀具的磨损。即切削长度越长，刀具与工件接触时间越长，刀具表面的热量积累越多，刀具磨损速度越快。

[size=1em]如图7 所示，副刃未磨损刀刃锐利度相近，集中在6.2 μm左右。随着切削长度的增大，刀刃锐利度持续增大，在本试验范围内基本趋于正比例关系。刀具磨损量随着切削长度的增加而增大，当切削长度大于8 000 m时，显现出刀具锐利度加速增大的趋势。

2.4 主刃（侧刃）和副刃（端刃）的磨损量比较

[size=1em]当切削速度为4.84 m/s、主轴转速为11 560 r/min、开槽长度为900 m、铣削宽度为8 mm时，硬质合金柄铣刀的主刃和副刃磨损后锐利度及刀刃磨损量对比如图8 所示。

[size=0.8em]图8 主刃和副刃磨损后锐利度及磨损量比较
Fig.8 Comparison of sharpness and wear of main and secondary edges after abrasion

[size=1em]从图中可以看出，柄铣刀主刃和副刃磨损后的锐利度较为接近，但副刃的磨损量明显小于主刃磨损量。这与刀刃楔角直接相关，主刃楔角小于副刃楔角27°左右，影响刀刃磨损量。满足加工精度的情况下，采用大的刀具楔角可以提高刀具的使用寿命。

3 结论

[size=1em]本研究用钨系硬质合金镶焊齿柄铣刀对中密度纤维板进行开槽铣削试验，对比开槽铣削加工后的刀刃锐利度，计算刀刃磨损量，并探究切削长度对刀刃锐利度和磨损量的影响，主要得出以下结论：

[size=1em]1）测定铣削加工柄铣刀形状时，放大倍数为400倍左右较为合适。

[size=1em]2）当切削速度为4.84 m/s，切削长度分别为3 631、7 263、10 890 m时，主刃锐利度分别为7.4、9.9、13.1 μm，磨损量分别为6.4、9.2、13.9 μm。

[size=1em]3）当切削长度超过8 000 m时，刀刃磨损变化显现出加速增大情况。

[size=1em]4）切削参数相同时，主刃和副刃锐利度变化较接近，但磨损量变化差距大，主要是刀具楔角影响所致。在满足加工精度的前提下，可进一步优化刀具角度参数延长刀具使用寿命。

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[size=1.8em]Wear Study of Shank Milling Cutters for Fiberboard Machining Based on a
Three-dimensional Microscope System

[size=1em]QING Long XING Dong HONG Ling LV Yue-xiao
(College Materials Science and Art Design, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, Inner Mongolia, P.R.China)

[size=1em]Abstract: Medium density fiberboard was used as the test material, and tungsten carbide inlay and shank milling cutter were used to slotted and milled, and the basic parameters of the cutting edge were determined by laser 3D microsystem.By comparing the sharpness of the cutting edge after slotting and milling, the wear of the cutting edge was analyzed and calculated, and the influence of the cutting length on the sharpness and wear of the cutting edge was explored.The results showed that the appropriate magnification for the sharpness of the shank milling cutter for wood milling is about 400 times.When the cutting speed is 4.84 m/s and the cutting length is 3 631, 7 263 m and 10 890 m, the sharpness of the main cutting edge is 7.4, 9.9 μm and 13.1 μm, and the wear is 6.4, 9.2 μm and 13.9 μm, respectively, and the wear of the tool is accelerated when the cutting length exceeds 8 000 m.The sharpness of the main and secondary edges is similar, but the difference in wear is obvious, which is significantly affected by the cutting angle.Depending on the machining accuracy requirements, further optimization of the tool angle can extend the tool life.

[size=1em]Key words: Shank milling cutter; 3D microscopic system; Edge sharpness; Edge wear; Cutting length

[size=1em]中图分类号：TS6；TS396

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299(2025)03-0052-05

[size=1em]DOI: 10.19531/j.issn1001-5299.202503009

[size=1em]基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY22524）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2023LHMS05042）

[size=1em]作者简介：青 龙，男，副教授，研究方向为木质材料机械加工与综合利用，E-mail: huhelonm@163.com

[size=1em]*通讯作者：吕悦孝，男，实验师，研究方向为木制品加工，E-mail: 877382659@qq.com

[size=1em]收稿日期：2024-04-19