家具常用木材铣削性能研究* 曹奇涛1 曹平祥1 朱兆龙2 （1.南京林业大学材料科学与工

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家具常用木材铣削性能研究[size=0.6em]*

曹奇涛1 曹平祥1 朱兆龙2

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037）

摘 要：为改善杉木、橡胶木与榉木的铣削性能，通过正交试验，研究了杉木、橡胶木和榉木在不同铣削方式和方向的切削力、表面质量、切屑形成的变化规律。结果表明：切削力大小排序为榉木＞橡胶木＞杉木，螺旋铣削＞锥形铣削＞直齿铣削，切削方向X3 ＞X2 ＞X1，影响切削力的主效应顺序为铣削方式＞木材种类＞铣削方向。表面粗糙度Ra大小排序为榉 木＞橡胶木＞杉木，直齿铣削＞锥形铣削＞螺旋铣削，X3 ＞X2 ＞X1，影响Ra的主效应顺序为木材种类＞铣削方式＞铣削方向。此外，根据已加工表面形貌特征，木材螺旋铣削后表面无明显崩边，锥形铣削后表面局部崩边，直齿铣削的表面有崩边和凹坑等异常损伤。木材直齿铣削的切屑形态为薄片状或长条状，螺旋铣削的切屑形态为螺旋状，锥形铣削的切屑形态为片状。家具材料进行粗加工时，建议采用直齿铣刀沿X1 方向进行加工，其切削力最小，机床能耗最小；当精加工时，建议采用螺旋铣刀沿X1 方向进行加工，其表面粗糙度最小，加工质量最好。

关键词：木材；铣削；切削力；表面质量；切屑形成

[size=1em]目前，我国已成为世界木材生产、消费与贸易大国，木家具与木地板等产量稳居世界首位[1-3]。在众多家具用材中，杉木外观自然、气味舒心、坚韧轻盈，橡胶木条纹清晰、外型美观、装饰性佳[4-5] ，榉木质地细密、色调柔和、富有光泽[6-7]。因此，杉木、橡胶木与榉木被广泛应用于各类木质家具中。在加工不同制品的过程中，木材需要经过锯、铣、刨等方式进行二次加工，而铣削是最常用的加工方式之一[8-9]。国内外学者对木材铣削的研究更多聚焦于直齿铣削[10-19]，偶见螺旋铣削，研究锥形铣削的极少。螺旋铣削的切削刃与刀轴轴线呈一定角度，切削刃先后切入和切出工件，所以切削的稳定性较高、振动小[20]。锥形铣削的理论切削半径很大，所以铣削出来的表面不平度大幅降低。研究不同铣削方式和方向的铣削性能，对于提升家具常用木材的加工质量意义重大，面向庞大的家具需求，提高家具常用木材的切削性能是促进家具企业提质增效的关键。

[size=1em]鉴于此，本文通过铣削试验，分析了不同切削条件（工件材料、铣削方式和切削方向）下切削力、切削质量与切屑形态的变化特征，探究三种木材适合的铣削方式，研究木材密度对切削力和铣削质量的影响，明确了杉木、橡胶木、榉木的最优切削参数，以期为家具常用木材的加工提供理论依据。

1 材料与方法1.1 试验材料

[size=1em]如图1A所示，杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook.]、榉木（Zelkova schneideriana）、橡胶木（Hevea Brasiliensis Muell.Arg），试件尺寸为160 mm ×80 mm × 4 mm（长×宽×厚），基本密度分别约为0.46、0.76、0.62 g/cm3，含水率约为11%。

[size=0.8em]图1 试验设备
Fig.1 Test equipment

1.2 试验设备

[size=1em]试验刀具为聚晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）直齿铣刀、螺旋铣刀、锥形铣刀，如图1B所示，刀具齿数均为6个，刀具直径均为140 mm。刀具的参数与性能如表1所示。

[size=0.8em]表1 铣刀的刀具角度和性能
Tab.1 Tool angle and performance of milling cutters

[size=1em]使用数控加工中心（型号MGK01，图1C）铣削工件，压电晶体测力仪（型号KISTLER 9257B，图1D）测量Fx、Fy、Fz三个方向的切削力，粗糙度测量仪（型号S-NEX001SD-12，图1E）测量已加工表面的粗糙度，显微镜（型号ZW-H1600，图1F）观测已加工表面形貌和切屑形态。

1.3 切削性能测试

[size=1em]切削合力F,使用单位宽度的切削力来表达,公式如下：

[size=1em]式中：Fx为平行于进给速度方向的切削分力，Fy为垂直于进给速度方向的切削分力，Fz为刀轴轴向的切削分力，单位均为N/mm。

[size=1em]表面粗糙度Ra以轮廓算术平均偏差表示。将工件放置在粗糙度测量仪的工作台，夹紧固定，采用金刚石探针沿着木材纤维方向检测表面轮廓，测量点位为表面中间的前中后三段，各段的测量长度都为1 cm再使用配套软件ACCTEE计算出Ra的值。

[size=1em]切削力和Ra的每组数据都测量5次，结果取其平均值。

1.4 试验方法

[size=1em]由于螺旋刀齿有倾角，不同于传统的纵向、横向与端向切削。因此，本文以刀具轴向和主运动方向来定义切削方向。如图2 所示，当刀具轴向垂直于木材纤维，主运动方向平行于木材纤维方向的切削定义为X1 方向切削；刀具轴向平行于木材纤维，主运动方向与木材纤维方向垂直的切削定义为X2 方向切削；刀具轴向和主运动方向均与木材纤维方向垂直的切削定义为X3 方向切削。本研究使用直齿铣刀、螺旋铣刀和锥形铣刀对木材进行X1、X2、X3 三个方向的铣削试验，铣削参数设置恒定，具体为：铣削速度45 m/s，铣削深度1.0 mm，进给速度5 m/min，最大回转半径140 mm。正交试验设计如表2 所示。

[size=0.8em]图2 切削方向示意图
Fig.2 Schematic diagram of cutting direction

[size=0.8em]表2 正交试验设计及结果
Tab.2 Orthogonal experimental design and results

2 结果与讨论2.1 切削力

[size=1em]极差值用R表示，为一组数据中最大值与最小值的差值[21]，R值越大说明该因素的影响程度越大。不同因素条件下杉木、橡胶木、榉木的极差分析结果如表2所示。从表中可以得出，木材种类、铣削方式、铣削方向的R值分别为6.52、8.35、6.18，说明铣削方式对切削力F影响最大，木材种类次之，而铣削方向的影响最小。

[size=1em]木材铣削加工时，切削力受木材纤维、铣削方式、铣削方向等因素的影响。切削力F的变化趋势如图3所示。由图可知，三种木材中，切削力最小的为杉木，其次为榉木，橡胶木最大，这可能与木材的密度有关。研究表明，随着木材密度的增大，木材的各个力学性质（强度、硬度等）都基本变大，切削过程中切削刃受到的阻力亦增大[22]。

[size=0.8em]图3 切削力F的变化趋势
Fig.3 Variation trend of cutting force F

[size=1em]三种铣削方向中，X1方向的切削力最小，X2方向其次，X3方向切削力最大。图2为以直齿铣刀为例的三种切削方向示意图。X1方向切削时，进给方向平行于木材纤维，刀具顺着木材纤维方向压缩木材，沿着纤维方向形成剪切应力，木材的变形和破坏连续，所以X1方向切削力最小。X2方向切削时，刀具在垂直纤维方向压缩木材，沿切削层底面剪切木材，木材纤维同时伴随着剪切和滚动,切削过程中切削力的变化相对稳定，所以X2方向的切削力较大。X3方向切削时，刃口对木材纤维挤压至弯曲，当拉应力大于木材抗拉强度极限，纤维被拉断，在这过程中切削平面以下的木材弯曲折裂、破坏严重，刀刃受到的切削阻力变大，所以X3切削力最大。

[size=1em]此外，从图3还可以得出，三种铣削方式中，直齿铣削的切削力最小，锥形铣削其次，螺旋铣削最大。螺旋铣削的切削力大，主要是因为螺旋铣削有螺旋角，螺旋铣削在X1方向切削，兼有直齿铣削的X1和X2方向的切削力，纤维在两种方向进行分离，造成的切削阻力最大。直齿铣削和锥形铣削的切削方向相似，但锥形铣削的切削弧长比直齿铣削更长，锥形铣削过程中受到的摩擦力更大，所以锥形铣削的切削力大于直齿铣削。

2.2 表面质量

[size=1em]表面粗糙度Ra为评价加工表面质量的重要指标[23-24]。Ra的极差分析结果如表2 所示，木材种类、铣削方式、铣削方向的R值分别为3.25、2.98、1.61，说明木材种类对表面粗糙度Ra影响最显著，铣削方式次之，铣削方向影响最小。

[size=1em]由图4 可知，三种木材中，杉木的表面粗糙度最小，橡胶木其次，榉木的表面粗糙度最大，Ra的变化与密度呈正相关。这是因为密度增大，切削木材所受的阻力增大，切削的稳定性下降，导致表面粗糙度增大。三种铣削方式中，螺旋铣削的粗糙度最小，锥形铣削其次，直齿铣削的粗糙度最大，Ra呈现为先减小后增大趋势。螺旋铣削的粗糙度最小，主要原因是螺旋角较大，切削刃易于切入、切除工件，切削的稳定性提升，导致表面粗糙度减小。锥形铣削相比于直齿铣削，增加了切削刃的铣削半径，铣削后表面的运动不平度降低，因而锥形铣削后的表面粗糙度小于直齿铣削。三种切削方向中，X1 方向的粗糙度值最小，X2 方向其次，X3 方向的粗糙度最大，Ra逐步增大，主要是因为X1 方向切削对纤维破坏最小，X3 方向切削过程中挤压木材纤维突破抗拉强度极限，所受的阻力大幅增加，切削稳定性降低，所以粗糙度最大。

[size=0.8em]图4 表面粗糙度Ra的变化趋势
Fig.4 Variation trend of surface roughness Ra

[size=1em]此外，表面形貌可以反映出已加工表面的质量，用光学显微镜分析了铣削后的加工表面形貌，进一步验证三种铣削方式的表面质量。图5a～5c为杉木的铣削表面，对比可知，直齿铣削后加工表面轻微崩边，螺旋铣削后加工表面光滑，肉眼未见崩边或毛刺，而锥形铣削后表面有一些崩边。图5d～5f为橡胶木的铣削表面，对比可知，直齿铣削后表面有较大面积崩边和木材脱落，并且中间有凹坑。螺旋铣削后的表面光滑，未出现毛刺，而锥形铣削后加工表面左侧有一些崩边。图5g～5i为榉木的铣削表面，对比可知，直齿铣削后表面崩边和断裂，螺旋铣削后表面光滑、无毛刺，锥心铣削后表面小面积崩边。可以确定，螺旋铣削的加工质量最好，锥形铣削的表面质量整体优于直齿铣削。

[size=0.8em]图5 木材已加工表面形貌(a～i): 编号1～9 (表2)
Fig.5 Surface morphology of machined wood(a-i): No.1-9（Tab.2）

2.3 切屑形成

[size=1em]切屑形成与切削力、切削质量等性能联系紧密[25-27]。切削的实质是材料变形-破坏-分离的过程。对于杉木（图6a～6c）而言，直齿铣削的切屑形态为薄片状，形状大致为长方形，主要切屑的长度为6.78 mm，宽度3.38 mm，厚度小，切屑分离，说明直齿铣削时切屑的形成不连续，切削过程稳定性差。螺旋铣削的切屑形态有点卷曲，切屑之间通过内表面连接在一起，单位面积的切屑数量较多，长度主要集中在1.82～3.58 mm，说明螺旋铣削时切屑形成连续，切削过程平稳。锥形铣削的切屑主要为单独个体，尺寸相对较小，长度集中为1.1～2.6 mm，切屑之间分离，说明锥形铣削时切屑形成不连续，切削过程稳定性不高。

[size=0.8em]图6 木材铣削的切屑形态(a～i): 编号1～9 (表2)
Fig.6 Chip morphology in milling wood (a-i): No.1-9（Tab.2）

[size=1em]对于橡胶木（图6d～6f）而言，直齿铣削的切屑形态主要呈片状，形状近似长方形，长度集中在3.6～4.6 mm，表明铣削时切屑的形成不连续，切削过程稳定性差。螺旋铣削的切屑密度较大，切屑分布均匀，形状多为椭圆形，长度集中在2.33～3.34 mm，表明螺旋铣削时切屑形成连续，切削过程稳定。锥形铣削的切屑为薄片状，形状大致为长方形，长度集中在4.26～4.63 mm，切屑中间有空隙，表明锥形铣削时切屑形成不连续，切削过程稳定性不高。

[size=1em]对于榉木（图6g～6i）而言，直齿铣削的切屑形态散乱分布，主要为长条状，切屑长宽比大，长度集中在1.71～4.01 mm，说明直齿铣削时切屑容易断裂，切削过程不稳定。螺旋铣削的切屑为螺旋状，切屑卷曲，切屑之间粘结在一起，尺寸大，主要切屑的长度为7.87 mm，说明切屑随着铣刀的深入连续形成，切削过程平稳。锥形铣削的切屑主要为薄片状，长度集中在4.35～6.52 mm，切屑之间相连，中间有空隙，形态近似长方形，说明切屑的形成不连续，切削稳定性不高。

2.4 铣削方案的优化与验证

[size=1em]切削力直接影响机床能耗，表面粗糙度直接影响产品质量。根据上文研究结果，三种铣削方式中，螺旋铣削的表面粗糙度最小，直齿铣削的切削力最小；三种切削方向中，X1 方向的表面粗糙度和切削力最小。因此，家具材料粗加工时，建议采用直齿铣刀沿X1 方向进行加工，此时的切削力最小，机床能耗最小。当精加工时，建议采用螺旋铣刀沿X1 方向进行加工，此时的表面粗糙度最小，加工质量最好。

3 结论

[size=1em]本文通过正交试验设计，研究了杉木、橡胶木、榉木在不同铣削方式和方向下的铣削性能（切削力、表面质量和切屑形成），得出以下结论：

[size=1em]1）切削力大小排序：榉木＞橡胶木＞杉木，螺旋铣削＞锥形铣削＞直齿铣削，X3＞X2＞X1；影响切削力的主效应顺序为铣削方式＞木材种类＞铣削方向。

[size=1em]2）表面粗糙度Ra大小排序：榉木＞橡胶木＞杉木，直齿铣削＞锥形铣削＞螺旋铣削，X3＞X2＞X1；影响Ra的主效应顺序为木材种类＞铣削方式＞铣削方向。

[size=1em]3）木材直齿铣削的切屑形态多为薄片状或长条状，切屑分离；螺旋铣削的切屑形态多为螺旋状，切屑相连；锥形铣削的切屑形态为片状，切屑分离。

[size=1em]4）试验范围内，杉木、橡胶木、榉木均在螺旋铣削时加工质量最好；铣削方向中，X2 方向的表面质量最好；在家具产品粗加工时，建议采用直齿铣刀沿X1 方向进行加工；当精加工时，建议采用螺旋铣刀沿X1 方向进行加工。

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[size=1.8em]Research on Milling Performance of Wood Commonly Used in Furniture

[size=1em]CAO Qi-tao1 CAO Ping-xiang1 ZHU Zhao-long2
(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, P.R.China; 2.College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, P.R.China)

[size=1em]Abstract: In order to improve the milling performance of Chinese fir, rubber wood and beech, the changing rules of cutting force, surface quality and chip formation of Chinese fir, rubber wood, and beech in different milling methods and directions were studied through orthogonal experiment.The results showed that the order of cutting force was beech ＞ rubber wood ＞ fir, spiral milling ＞ tapered milling ＞ straight tooth milling, X3 ＞ X2 ＞ X1.The main effect order of cutting force was milling method ＞ wood type ＞ milling direction.The order of surface roughness Ra was beech ＞ rubber wood ＞ fir, straight tooth milling ＞ tapered milling ＞ helical milling, X3 ＞X2 ＞ X1.The main effect order of Ra's influence was wood type＞milling method＞milling direction.In addition,according to the surface morphology characteristics, there was no obvious edge chipping on the surface after helical milling, local chipping on the surface after tapered milling, and abnormal damage morphology such as chipping and pits on the surface of straight tooth milling.The chip shape of straight tooth milling is flake or strip, and the chips were separated; the chip shape of helical milling is spiral, and the chips were connected; the chip shape of tapered milling is flake, and the chips were separated.Therefore, when rough machining furniture materials, it was recommended to use a straight-tooth milling cutter to process along the X1 direction, which had the smallest cutting force and the least energy consumption of the machine tool.When finishing, it was recommended to use a helical milling cutter to process along the X1 direction, and the surface roughness is the smallest and the machining quality is the best.

[size=1em]Key words: Wood; Milling; Cutting force; Surface quality; Chip formation

[size=1em]中图分类号：TS6

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299 （2023）06-0043-06

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202306007

[size=1em]＊基金项目：国家自然科学基金（31971594）

[size=1em]作者简介：曹奇涛，男，研究方向为木材加工装备E-mail: caoqitaoice@qq.com

[size=1em]通讯作者：曹平祥，男，教授，研究方向为木材加工装备E-mail: njfucpx@163.com

[size=1em]收稿日期：2022-09-01