两种材质的柄铣刀锐利度及磨损比较分析

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摘 要：使用硬质合金和金刚石材质镶焊齿柄铣刀对纤维板和细木工板进行开槽铣削试验。通过激光三维显微系统测定刀具角度、刀刃圆弧半径及刀刃微观形貌，结果表明：金刚石刀刃微观缺陷小于硬质合金刀，且初始锐利度更高（相差小于1 μm）。硬质合金刀具楔角设计不合理，主副刃楔角相差约27°，对磨损影响明显。切削长度增加导致刀刃锐利度和磨损量增大，金刚石刀磨损量小于硬质合金刀。新刀细木工板铣削中产生崩边等多种加工缺陷，表明基材性能是加工质量的主要影响因素。

关键词：木质材料； 铣削加工； 刀具楔角； 刀刃圆弧半径； 刀刃磨损

[size=1em]板式家具生产中普遍采用柄铣刀进行裁板、开槽及表面成型加工。被加工材料的性质、机床设备因素、刀具性能及加工工艺参数会直接影响生产效率及制品质量[1-5]。为保证产品质量和加工系统的稳定运行，首先应对刀具磨损状态进行监测。相关研究表明，机械加工中配备刀具磨损监测设备能有效减少故障停机时间、提高生产效率及机床利用率[6]，因而准确测定评价刀具形状的锐利度及刀刃磨损尤为重要。为此，研究者在刀具锐利度测定方法、不同材质刀具性质特点及磨损方面进行了较多研究[7-10]。虽涌现出一系列刀具磨损状况检测方法，但这些方法在实际应用中仍存在一定局限性[11]，且没有通用较理想的刀具磨损量测定评价手段。

[size=1em]在智能制造与无人化生产、“双碳”战略的大背景下[12-15]，加工精度在线控制是质量保障及适应生产率的关键，而刀具锐利度及磨损量直接影响加工质量和精度。同时木质材料性能对刀具磨损及切削参数也有影响。因此，刀具磨损与加工精度关系、木质材料性能对刀具磨损及切削参数的影响方面也有较多研究[16-19]。对木制品而言，不同部位尺寸对加工精度的要求不同。在生产加工中，精度范围较广，精度要求相对低[20]。然而，在实木切削中容易产生加工缺陷，且因木材纤维方向、切削方式和刀具路径组合的不同，会产生各种不同类型的加工缺陷[17-19]。根据加工条件进行工艺优化可减少加工缺陷。目前有关柄铣刀加工特点的研究较少。鉴于此，本研究选用市场上流通的硬质合金和金刚石两种材质柄铣刀，在相同切削条件下进行开槽铣削试验，测定刀具锐利度及磨损变化，比较分析刀具形状锐利度、磨损量、切削长度及加工缺陷及其影响因子，以期为板式家具生产加工质量的提升提供参考。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]以市场上流通的中密度纤维板及贴面细木工板为试验材料，性能指标符合相关国标要求。刀具采用市场上流通的钨系硬质合金和聚晶金刚石材质镶焊齿直刃柄铣刀。刀具刃径，即名义开槽宽度分别为6、8、10、12 mm。硬质合金刀具主刃（侧刃）长度为30 mm，副刃（端刃）长度为2～3 mm。金刚石刀具主刃（侧刃）长度为20 mm，副刃（端刃）长度为2～5 mm。两种刀具各备2组，共16把柄铣刀，分别进行重复试验后取平均值作为测定值。

1.2 试验设备

[size=1em]刀具楔角（刀角）、锐利度（圆弧半径）及微观形貌测试，采用基恩士公司生产的VK-X150型形状测量激光三维显微系统[21]。开槽铣削加工采用松玉联创公司生产的LXSGX-B5型四工序开料数控铣床，其额定最大进给速度为12 m/min，额定最大主轴转数为18 000 r/min，工作台尺寸为1 380 mm×2 750 mm，安装刀柄12.7 mm的柄铣刀。数控铣床主轴转速用基恩士公司LK-H008型高精度激光位移测定仪测定。

1.3 试验方法

[size=1em]1.3.1 刀具锐利度和楔角测定

[size=1em]使用激光三维显微系统测定硬质合金和金刚石镶焊齿柄铣刀的主刃、副刃楔角、锐利度及直线度等初始条件，以及开槽铣削加工后的相应参数。具体测定时，在刀刃不同部位（0～1 mm内、2～3 mm内、5～6 mm内）测定锐利度和楔角。每个测定处均等四分后测3个点垂直面内刀角及圆弧半径，计算平均值作为测定值。测定副刃刀角和锐利度时，在尖部0～1 mm内的部位测试。

[size=1em]1.3.2 柄铣刀开槽铣削试验

[size=1em]用两种材质柄铣刀，在不同试验条件下进行开槽铣削试验。选定数控铣床进给速度为6 m/min，主轴转数为11 560 r/min，开槽铣削深度为10 mm，开槽长度分别为300、600 m和900 m，名义开槽宽度（刀具初始刃径）分别为6、8、10 mm和12 mm。刀具端面形状及铣削轨迹如图1所示。

[size=0.8em]图1 开槽铣削刀具路径示意图
Fig.1 Schematic diagram of slotting milling tool path

2 结果与分析2.1 两种材质柄铣刀形状特点及微观形貌比较

[size=1em]2.1.1 刀具形状测定及微观形貌比较

[size=1em]通过预试验得出，测定柄铣刀刀刃圆弧半径合适的放大倍数为400倍。因此，激光显微系统放大倍数确定为400倍。图2和图3为未磨损直径8 mm硬质合金和金刚石刀主刃、副刃尖部激光颜色及三维颜色构成的微观形貌图，箭头所指方向表示刃口缺损较明显部位。

[size=0.8em]图2 未磨损刀具主刃微观形貌比较
Fig.2 Comparison of the microscopic morphology of the main edge of the unworn tool

[size=0.8em]图3 未磨损刀具副刃微观形貌比较
Fig.3 Comparison of the microscopic morphology of the auxiliary edge of the unworn tool

[size=1em]图2a为硬质合金刀尖形状，图2b为金刚石刀尖形状。可见，两者的刀刃带宽度及微观形貌颜色的不同。硬质合金刀具刃磨加工痕迹及刃口缺损较明显，且出现频次多，而金刚石刀具相对较好。刀具研磨加工工艺及材质[22-23]的不同会影响刀刃的微观形貌。钨系硬质合金刀刃缺口相对明显。聚晶金刚石刀刃研磨工艺改进[24-28]，因而其相对平缓、缺损少。两种材质刀具主刃与副刃相交的刃尖部位缺损更大，会影响槽底加工质量。

[size=1em]对比图3a和3b可知，硬质合金刃口缺陷多于金刚石刀具。同时，两种材质刀副刃锐利度明显大于主刃，刃口缺陷更明显。

[size=1em]2.1.2 两种柄铣刀初始锐利度及楔角比较

[size=1em]通过三维显微系统分析软件测定未磨损的柄铣刀，并计算每个刀刃锐利度及楔角平均值，结果如表1所示。

[size=1em]岳西县是山洪灾害易发地区，洪灾发生概率较高，新中国成立以来共发生15次大的洪灾，其中21世纪就有5次。岳西县山洪灾害具有突发性、毁灭性、隐蔽性等特点，造成山洪灾害的主要因素有灾害性天气、特殊的地理环境、脆弱的水利设施等。

[size=0.8em]表1 未磨损柄铣刀锐利度和楔角测定平均值分布
Tab.1 Average distribution of unworn shank cutter sharpness and tool angle measurement

[size=1em]由表1可知，硬质合金刀主刃楔角之间相差3.8°，副刃楔角之间相差3.2°，主刃与副刃相差27°左右，因此需改进刀刃研磨工艺以缩小楔角相差。主刃和副刃楔角一致或相近时，应缩小磨损差异。金刚石刀主刃楔角之间相差2.9°，副刃楔角之间相差3.3°，主刃与副刃楔角相差2°左右，相对主刃和副刃楔角设计合理，在一定程度上可延长刀具寿命。特别是硬质合金和金刚石主刃楔角相差23°左右，相同切削条件下，硬质合金刀磨损量会更大。在刀刃锐利度方面，硬质合金刀具锐利度小于金刚石刀具，相差在1 μm以内。然而，两种材质刀主刃与副刃相差较大，在3 μm左右。主刃与副刃同时参与铣削，有必要改进副刃的刃磨工艺，以提高其锐利度，使其相近于主刃，从而保证槽侧面及槽底质量接近且满足精度要求。同时，这样也能缩小主刃和副刃之间的磨损差异，使刀刃基本同时到达寿命，降低生产成本，并提高加工质量。

2.2 两种材质柄铣刀锐利度及磨损比较

[size=1em]以中密度纤维板为试验材料进行开槽加工。开槽铣削加工是属于闭式完全铣削。两个刀片的2个主刃和2个副刃交替完成槽侧面及槽底的切削。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，采用刀具楔角等分线上的刀刃后退量来评价刀刃磨损量，如公式（1）所示。

[size=1em]（1）

[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。

[size=1em]当铣削宽度为8 mm，主轴转速为11 560 r/min，开槽长度为900 m时，两种材质柄铣刀主刃和副刃初始锐利度、切削后锐利度及磨损量如图4所示。

[size=0.8em]图4 两种材质刀具刀刃锐利度及磨损量比较
Fig.4 Comparison of the sharpness and wear of the two materials

[size=1em]从图4可以看出，硬质合金刀主刃、副刃初始锐利度小于金刚石刀具。进行铣削后，硬质合金刀锐利度和磨损量变化大于金刚石刀具，说明金刚石刀具耐磨性优于硬质合金刀。特别是硬质合金刀主刃磨损量明显大于金刚石刀。这主要是因为刀具楔角相差大，在23°左右，且锐利度小。硬质合金刀副刃楔角大于金刚石刀，相差2°左右。在对纤维板进行加工时，硬质合金刀副刃锐利度及磨损量大于金刚石刀。

2.3 切削长度对刀刃锐利度及磨损量影响比较

[size=1em]以中密度纤维板为试验材料进行试验。刀具使用寿命与刀具锐利度和磨损量直接相关，一般可采用切削长度、切削时间、重量变化、体积变化等不同参数进行评价。在一定条件下，采用切削长度评价刀具寿命更为客观准确。结合本研究实际情况，分析切削长度对刀刃锐利度及磨损量的影响。开槽铣削切削长度与刀具刃径、主轴转速、刀齿数、加工槽的长度、进给速度等有关，用公式（2）计算得到刀刃的切削长度。

[size=1em]（2）

[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/min；K为刀齿数，个。

[size=1em]2.3.1 切削长度对刀刃锐利度影响

[size=0.8em]图5 切削长度与刀刃锐利度变化关系
Fig.5 Relationship between cutting length and cutting edge sharpness

[size=1em]从图5可以看出，随着切削长度的增大，刀刃锐利度持续增大，且在试验范围内基本趋于一定比例增大关系。对于硬质合金刀具而言，出现轻微初期磨损情况，而金刚石刀具锐利度增长趋势则较为平缓。切削长度越长，刀具与工件接触摩擦时间越长，刀具表面的热量积累越多，使得刀具锐利度变大。

[size=1em]2.3.2 切削长度对刀刃磨损量影响

[size=1em]采用公式（1）计算得到两种材质刀具在相同条件下进行开槽铣削后的刀刃磨损量，结果如图6和图7所示。

[size=0.8em]图6 硬质合金刀具切削长度与刀刃磨损量关系
Fig.6 Relationship between the cutting length of tungsten carbide tools and the amount of wear of the cutting edge

[size=0.8em]图7 金刚石刀具切削长度与刀刃磨损量的关系
Fig.7 The relationship between the cutting length of the diamond tool and the wear of cutting edge

[size=1em]从图6可以看出，刀具磨损量随着切削长度增加而增加。当切削长度为10 890 m时，硬质合金主刃的磨损量为13.9 μm，副刃磨损量为4.7 μm。当切削长度超过9 000 m后，刀刃磨损量增大趋势变快。这可能是因为，随着切削长度增大，刀具与工件之间的摩擦时间变长，从而发生切削热，导致刀具表面温度升高，进而加速刀具的磨损。特别是硬质合金刀主刃磨损量明显大于副刃，这主要与主刃楔角小和锐利度小有关。

[size=1em]从图7可以看出，随着切削长度的增加，刀刃磨损量增加。当切削长度为10 890 m时，金刚石刀主刃磨损量为5.1 μm，副刃磨损量为4.5 μm。随着切削长度的增大，主刃磨损量明显加速增大，这源于板材与刀刃的摩擦时间加大，以及主刃锐利度小于副刃且相差较大。对于两种材质的刀具而言，主刃与副刃锐利度及楔角相同或接近为好，这方面金刚石刀具设计更为合理。

2.4 两种刀具开槽铣削加工特点比较

[size=1em]基于贴面装饰板直接做家具制品部件材料的特点，以贴面细木工板为试验材料进行开槽加工。当数控铣床进给速度为6 m/min，主轴转数为11 560 r/min，开槽铣削深度为10 mm，开槽长度为300 mm，名义开槽宽度（刀具初始刃径）分别为6、8、10 mm和12 mm时，采用两种材质的新刀进行铣削加工，其加工槽如图8所示，数字表示槽宽，箭头指向表示加工缺陷明显部位。

[size=0.8em]图8 两种柄铣刀细木工板开槽加工缺陷比较
Fig.8 Comparison of the grooving defects of the two shank milling cutters for blockboard

[size=1em]从图8可以看出，开槽宽度变小时，槽口加工缺陷增多，尤其是硬质合金刀。加工缺陷主要有槽口崩边、槽侧面及底部出现不同程度的木毛刺、槽底及槽侧面出现木屑搓起、逆纹剥离等，表明基材选用的重要性。人造板基材家具板件崩边等加工缺陷产生的原因多而复杂，需进一步详细探讨木家具生产加工精度及质量提升措施。

3 结论

[size=1em]为探索木质材料加工柄铣刀形状及其加工特点，本研究采用两种材质的刀具和两种被切削板材进行对比试验，主要得出以下结论：

[size=1em]1）硬质合金刀具初始锐利度小于金刚石刀，相差在1 μm以内，金刚石刀刃微观缺陷相对小于硬质合金刀。硬质合金刀具主刃和副刃角度相差27°左右，导致磨损量差距大，而金刚石刀主刃和副刃角度相差2°左右，楔角设计较合理。

[size=1em]2）随着切削长度的增大，刀刃锐利度和磨损量均增大。当切削长度在9 000 m以上时，磨损量显著增加。当切削长度为10 890 m时，金刚石刀主刃磨损量为5.1 μm，副刃磨损量为4.5 μm，硬质合金主刃磨损量为13.9 μm，副刃磨损量为4.7 μm。刀具锐利度及楔角对磨损量影响显著，主刃和副刃形状参数一致时可以延长柄铣刀使用寿命。对纤维板进行加工时，金刚石刀具的耐磨性明显优于硬质合金刀具。

[size=1em]3）用两种材质刀具对细木工板进行开槽加工时，会产生不同程度的各种加工缺陷，且金刚石刀具的加工质量较好。

[size=1em]参考文献

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[size=1.8em]Comparative Analysis of the Sharpness and Wear of Shank Milling Cutters of Two Materials

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

[size=1em]Abstract: Slotting milling tests are carried out on fiberboard and blockboard using cemented carbide metal and diamond inlaid and welded teeth shank milling cutters.The results indicated that diamond cutters shows fewer microscopic flaws and better initial sharpness (with difference less than 1 μm) compared with cemented carbide tools by measuring the tool angles, edge radius and microscopic surface topography of its cutting edges with 3D laser microscopy system.The wedge angle of the cemented carbide tools was found to be suboptimal, with approximately 27° difference between major and minor cutting edges, which significantly affected the tool wear.An increase in milling length resulted in a deterioration of edge sharpness and more wear, with the diamond tool demonstrating lower wear than the cemented carbide tool.Furthermore, milling of blockboard with new tools was observed various processing defects, such as edge chipping, indicating that the performances of the base material are the primary factors influencing processing quality.

[size=1em]Key words: Wood materials; Milling processing; Knife angle; Edge arc radius; Tool wear

[size=1em]中图分类号：TS653；TS396

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299(2025)05-0006-06

[size=1em]DOI：10.19531/j.issn1001-5299.202505002

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

[size=1em]第一作者：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：邢 东，男，副教授，研究方向为木材改性，E-mail: xingdong@imau.edu.cn

两种材质的柄铣刀锐利度及磨损比较分析[url=][/url]

青龙， 红岭， 吕悦孝， 邢东

【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5期 P6-11