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木材切削,是通過刀具作用於木材產生相對運動,以獲取一定形狀、尺寸和表面狀態的木材製品的加工過程。是木材加工中佔比重最大的一項基本工藝,其質量對膠合工藝和表面裝飾工藝有重要影響。

1 木材切削 -木材切削

 

2 木材切削 -正文

  通過刀具作用於木材產生相對運動,以獲取一定形狀、尺寸和表面狀態的木材製品的加工過程。是木材加工中佔比重最大的一項基本工藝,其質量對膠合工藝和表面裝飾工藝有重要影響。木材切削的機理涉及木材的力學性質、刀具的材料及其處理方法和幾何形狀、刀具與木材加工件的相對運動和實現某一運動的機構以及切削力等,已在生產實踐和科學研究的基礎上形成一門獨立學科。
  根據切削過程中製品與切屑的形成,木材切削可分3種形式:①工件被切去一層相對變形較大的切屑,剩下的是半制品或製品,如刨削、車削等;②切屑本身即為製品,如單板旋切、刨切等;③切屑和剩下的工件均為製品,如削片制材中所用的銑削。
  概況  公元前6000年巴勒斯坦人製成弓形鋸,公元前2700年埃及建造的金字塔中有手拉銅鋸和手推銅刨,反映了木材切削技術以手工操作為特徵的第一階段。18世紀末歐洲產業革命后,用於木材切削的機床和刀具開始出現並得到發展。這一過程一直延續到20世紀初,木材切削機床日臻精密,刀具硬度增高,切削速度加快,由於人造板和熱帶木材製作中嚴重損傷刀具而造成切削質量下降的問題因而得到解決。這標誌了以木材切削的機械化為特徵的第2階段。20世紀60年代起,電子技術、計算技術應用於木材切削,不僅提高了木材切削技術水平,也為研究複雜的切削機理提供了可靠的測試手段和數值分析方法,從而促使木材切削的發展進入了以自動化為主要趨勢的第3階段。
  切削基本概念  木材切削是一個動態系統,它由切削刀具、加工對象(木材工件)和切削運動三者所構成。具體說明如下:
①刀具的幾何形狀及所用角度。以一種比較簡單而有代表性的切削方式為例:刀具的工作部分為楔形刀刃,其支持部分為刀體。切削時與切屑接觸的一面為前刀面(簡稱前面),相對於前表面的一面為後刀面(簡稱後面)。刀具的前角 (γ)是前面和垂直於切削表面的基面之間的夾角;楔角 (β)是刀具前面和後面之間的夾角,也稱研磨角;后角(α)是刀具後面和切削表面之間的夾角;切削角 (δ)是刀具前面和切削表面之間的夾角。由圖1可知:δαβαβγ=90°。楔角小,刀刃較鋒利,但刀刃強度及剛度相對減弱;楔角大,刀刃變鈍,導致切削阻力增高。后角小,則后刀面與切削表面間摩擦力加大;后角大,刀刃對工件的推力增大,易降低加工表面的光潔度。前角大,切屑變形小,切削省力,但過大則易在順紋切削時木材發生超前裂開。在實際切削過程中,裝刀位置不同能使切削角發生變化。

  ②切削力和切削阻力。切削過程中刀具對木材的作用力為切削力,木材對刀具的反作用力為切削阻力。圖2c中合成的力Fx為切向力,Fy為法向力。兩者在切削木材時使木材變形和分離,並需克服刀具與木材之間的摩擦力而完成切削過程。切削力是切削的主要作用力,其大小由木材的切削阻力所決定。法向力的大小與切屑形成過程中對前刀面所產生的壓力及切削角的大小有關,如切削方法、切削速度、方向及切削厚度一定,則法向力主要隨切削角大小而變化。法向力為0時,切削角達臨界值,稱為臨界切削角。木材密度是影響切削阻力的重要因子,密度在 0.5~0.8克/厘米3範圍內,其切削阻力在橫紋切削時為2~4千克/厘米,縱向切削時為 3~6千克/厘米,端向切削時為9~12千克/厘米。機械條件、木材含水率、木材溫度和切削厚度也都對切削阻力有影響。機械條件包括切削機床的調整、刀具安裝的正確與否等。木材溫度和木材含水率高,則切削阻力減小。因此旋切木段和刨切木方大都需經水熱處理。但在銑削、順紋刨削和磨削中,木材含水率高會降低加工表面的質量。此外切削表面的纖維方向和生長輪方向,也是影響切削阻力的因子。

  ③切削過程的運動及其軌跡。切削過程的運動由進給運動和切削運動二者合成或組成。進給運動與切削運動可分別由切削刀具與工件(木材)完成,也可由刀具和工件合併完成。圓鋸、帶鋸等鋸切時,鋸子作純切削運動,工件作進給運動。鏈鋸、狐尾鋸截斷原木時,進料運動和切削運動由鏈條或鋸片合併完成,原木不作運動。車削和單板旋切時,工件的迴轉運動和刀具的直線運動相配合,同時實現進給和切削兩種運動。當圓鋸、帶鋸及平刨、壓刨切削工件時,進給運動和純切削運動同時發生,其切削運動為二者的合成運動,切削過程的運動軌跡為合成運動的軌跡,如平、壓刨切削時的軌跡為擺線;車削時的軌跡為螺旋線,旋切時的軌跡為阿基米德螺旋線。當框鋸或單板刨切機工作時,進給運動和切削運動先後發生,框鋸的鋸框下行時鋸切,木料停止前進;鋸框作空行程上升時,木料以直線運動進給,如此反覆依次進行。同理有刨切機的刨切運動和剪切機的剪切運動等。凡屬此種情況,其切削過程運動由切削和進給二者所組成,其運動軌跡即切削運動的軌跡,刨切運動、單板剪切運動、框鋸鋸切運動的軌跡均為直線。
  ④切屑變形係數。木材切削加工中產生的切屑有不同程度的相對變形。變形包括形狀與厚度的變化。形狀變化表現在原本平直的木材,經切削后的切屑成為彎曲、蜷曲狀或破碎成顆粒狀。切屑厚度變化可用切屑變形係數(或稱切削比)定量表示。切屑變形係數為切削前的厚度(t)和切削后的厚度(t′)的比值(t/t′),在連續切削過程中,隨機抽樣所得的比值並不相同。比值變動範圍小,其統計分佈有規律者,說明切削運動狀態穩定而正常。因此切屑變形係數與切削質量有關,這對以切屑作為製品如旋切、刨切單板等尤為重要。
  ⑤切削方向。切削的方向性是木材切削的特點。切削方向不同,切削力也不同。木材的切削方向由切削速度方向和刀刃相對木材纖維的方向決定。木材切削的基本方向有縱切、橫切、端切 3種。縱切是切削時刀刃與木材纖維垂直,切削運動的方向與纖維平行、沿著木材紋理進行的切削方法。工件經切削后產生縱切面。如切削平面與髓心重合,就產生徑切面;如切削平面切於任何生長層,就產生弦切面。橫切,即橫紋切削,是切削刀刃平行於木材纖維,切削速度方向垂直於木材纖維,切出的平面為縱紋表面。切削平面如通過髓心,即為徑切面;切削平面如通過任何生長層,即為弦切面。端切或橫截是刀刃和切削速度方向都垂直於木材纖維的切削方法。切削產生的表面是端紋表面和橫切面。除以上 3種基本切削方向以外的斜切,是介於3個方向之間的任何平面或方向進行切削的方法。
  ⑥木材的切削性質。影響木材切削難易程度的因素有樹種、材質(如木材的硬度、密度)、紋理方向、木材缺陷(如節子、應力木)等。此外,樹脂及其他內含物含量高者,也對鋸切、砂削造成困難。對切削性較差、即較難切削的木材,應使用特種刀具材料,如切削熱帶木材和高密度人造板應使用硬質合金刀具。切削硬度大的木材時,刀具的研磨角及安裝刀具的切削角不能過小。對斜紋銑削時應採用順銑,必要時還應在切削前對木材進行適當的熱處理。木材的切削性通常用切削阻力、切削表面狀態即表面光潔度及因材質造成的加工缺陷、加工精度、刀具使用壽命和切屑形狀等來表徵。
  切削方式  主要有下列幾種:
  ①鋸切。木材加工中應用最廣。鋸子包括圓鋸片、帶鋸條、框鋸條、鋼絲鋸條,以及鏈鋸(僅作橫截用)等,是多刃切削工具。每一齒是一個切削刃,它有前面(齒前)、後面(齒背)和兩個側面。前面和後面的相交線為主刃,前面和兩個側面的相交線為兩個側刃。兩齒之間空隙處為齒槽。圓鋸切削為迴轉運動;帶鋸的工作區段以直線運動進行切削;框鋸切削是直線往複運動,進給運動大多數為直線運動。切削方向有縱剖和橫截兩種,也可用於開槽、制榫。
  ②刨削。切削刀具刨刀與工件作相對直線運動一次完成切削過程。生產上所用刨削機或手工操作的刨子,多用於加工平面或刨出槽口、線角等;機械刨具有曲柄連桿、履帶或鏈條驅動的刨光機、製造木絲的刨木絲機和單板刨切機等。刨削的特點是工件和切削刀具二者之一必須固定安裝,與另一件合併完成切削運動和進給運動。多數刨光機系將工件固定,切削工具同時作切削運動和進給運動。刨削方法工作效率低,但加工表面上可避免旋轉刀具加工平面時出現的運動學不平度,所以難於用其他切削方法代替。
  ③銑削。切削工具為銑刀,可用以加工平面,成形表面,雕花表面,成形迴轉體等,以及銑削榫、槽等;還可將木材銑削成工藝木片,將原木削成方材及用於加工毛邊板。銑刀刀頭根據刀刃相對銑刀刀頭軸線位置的不同而分為圓柱形、錐形、端面銑削 3種基本型式。銑削用於平面加工時為圓周銑削,由於加工所得表面和刨削加工相似,所以習慣上將圓周銑削加工平面的銑刀、銑床稱為刨刀、刨床。銑刀在切削過程中作高速迴轉運動。除加工成型迴轉體等零件外,進給大都為直線運動。兩者所合成的切削過程運動軌跡為擺線。由此在加工表面上形成波紋狀的運動學不平度。圓周銑削有順銑和逆銑之分,銑削刀具逆著工件進給方向旋轉者為逆銑,反之為順銑。通常壓刨床和四面刨床用逆銑,制材削片聯合機一般用順銑。
  ④鑽削。鑽頭圍繞自身軸線旋轉的切削方式。木材或鑽頭沿鑽頭軸線方向作進給運動。根據鑽削進給方向相對木材纖維方向的不同,可分為縱向與橫向兩種。橫向鑽削的鑽頭有沉割刀和導向中心,縱向鑽削鑽頭有錐面端部。鑽削加工用於鑽出方孔、圓孔、盲孔、通孔、開槽以及挖節去疤等。
  ⑤磨削。切削工具為砂布(紙)和砂輪。每顆砂粒即為一個微小切削刃具。砂布(紙)可製成砂帶,也可粘貼在圓盤上或卷繞在輥、軸上成為砂盤或砂輥。砂布(紙)通常以號數表示砂粒的細度,號數越大,砂粒越粗;而砂粒本身的號數所代表的粗細程度與砂布(紙)則相反,號數越大,砂粒越細。砂輪、砂盤、砂輥和磨刷在磨削過程中作旋轉運動,砂帶以其工作區段作直線運動。砂帶或工件都可完成進給工作。用砂輪、砂輥砂削時,木材工件作直線進給運動。磨削是木材加工中的精密加工,可使工件表面獲得一定光潔度和平直度,既可加工平面,也可加工曲面,是木材製品表面裝飾必不可少的工作之一。磨削過程中常因運動軌跡或磨粒大小的不均等原因,使加工表面上產生波紋或條紋式的磨削痕迹,因此帶式或輥式砂光機的砂帶和砂輥在工作時都作軸向擺動,以消除磨削痕迹。
  ⑥車削。工件作旋轉運動,刀具作直線進給運動,主要用於加工成形迴轉體如圓柱形、圓錐形、盤形、球形等的零件。
  木材切削加工的缺陷  加工缺陷的產生,有的是由於切削機床調整欠佳,刀具安裝不正確,刀刃變鈍或切削時發生振動;有的是由於工藝條件,如切削角、切削量、進給速度等選擇不當;有的則是由於木材表面的纖維方向、年輪方向以及局部渦紋、扭紋或含水率過高等的影響。常見的切削加工缺陷有:①切削刀痕,如圓周銑削時因切削刀頭上各個刀尖不在同一圓周上而在工件表面形成的波浪形切削軌跡;②切削溝紋,常發生於針葉材的加工表面;③削片壓痕,多系切削刀刃上帶有的碎屑片在工件表面上壓出的凹痕;④撕裂紋,因刀具切削角過大,木材在刀刃達到之前裂開並延伸到材面以下所致;⑤松紋分層,常由於削刃太鈍或材質缺陷引起;⑥毛刺,即加工表面的木材纖維被刀刃扯起,多因工件含水率高或刀刃過鈍所致;⑦波浪紋,由於刀具切削角較小或刀刃太鈍、工件含水率過高等原因,工件表面的晚材或早材凸出材面,或因工件在切削中發生振動而產生;⑧表面灼焦,在圓周銑削中,刀刃較鈍,進料因故停止,刀刃與木材表面摩擦而成。
  展望  與木材幹燥、木材膠合、木材表面裝飾相比,木材切削技術的進步較慢。它的歷史雖較金屬切削長得多,但其發展變化卻遠不及金屬切削。當前的研究工作,主要著重於兩個方面:一是從切削動力學和切削運動學的基礎出發,深入探討木材切削的機理;一是從切削阻力和切削變形等問題出發,繼續改進木材切削的工藝。高速切削、無屑切削、振動切削、激光切削、液力切削、加熱導線切削和超高頻電磁輻射切削等新的切削方法將受到進一步的重視,並將由此而促進木材切削刀具新材料的研製與應用。

 

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