木质复合材料加工刀具的研究及进展

时间:2022-03-30 21:59:24 作者:雪莉 阅读量:61

1.引言近年来,随着现代木材加工业的快速发展,木质复合材料的加工得到了迅速发展。 随着人们环保意识的增强,人造板行业得到了越来越多的发展空 最主要的产品是中密度纤维板(MDF),中国目前是亚洲产量最大的国家。 2001年,强化木地板的实际产量已增加到6000万平方米,日益增长的需求对切割工具提出了新的要求。 目前用于切削人造板等木质复合材料的刀具主要是硬质合金,具有较高的耐磨性、耐热性和硬度。 但由于木材本身高度各向异性的结构,与刀具的摩擦系数很大,木质复合材料本身不仅含有造成刀具机械磨损的硬点(部分人造板有难以加工的硬质涂层),还含有造成刀具化学腐蚀的酸性介质,会加剧刀具的磨损和腐蚀,不仅大大缩短使用寿命,还会严重降低产品质量,从而影响产品的加工成本和生产效率。 现有的硬质合金刀具在耐磨性和耐腐蚀性方面已经不能满足要求。为了取得良好的经济效益和社会效益,市场迫切需要高性能、高质量的木工刀具。 目前,我国对木工刀具的研究不仅理论上很差,而且生产上也很落后。因此,了解和掌握国内外木工刀具的发展现状和研究进展具有重要意义。 2.磨损机理2.1机械磨损由于木质复合材料具有不同于金属材料的特殊结构,因此有必要研究切削加工中刀具的磨损机理,这对于刀具材料和几何参数的选择是十分必要的。 木工刀具的磨损主要分为两类:机械磨损和腐蚀。 机械磨蚀和磨损是由木质复合材料中的硬颗粒或突出物引起的,这些硬颗粒或突出物使工具材料迁移。 细胞壁、树脂、矿物质(如石英砂等。)、结、粘接材料等。都可能成为机械磨损的硬点。 一般认为机械磨损是磨料在工具表面滑过,产生磨损或微切削,在工具表面产生划痕或沟槽的过程。 判断机械磨损是否是刀具的主要磨损机制,不仅要考虑刀具的材料特性,还要考虑工件的化学性质和含水量。 如果工件含水量高,酸性强,还有一个不可忽视的刀具磨损原因——腐蚀磨损。 2.2腐蚀磨损硬质合金刀片在切削某些木质材料时,容易生成挥发性氯化物。 硬质合金工具中的钴在弱有机酸中会被氢离子剥离电子形成金属离子,然后多酚化合物会与离子螯合形成疏松的螯合物。 可以看出,弱有机酸和多酚类化合物对工具材料的腐蚀是逐渐进行的,最后形成金属螯合物覆盖在工具表面。 钴是硬质合金工具不可缺少的粘结相。钴一旦被腐蚀,生成的螯合物会在机械磨损的作用下迅速磨损,导致工具材料磨损严重。 此外,电化学腐蚀也是造成工具磨损的重要原因。 因此,刀具磨损的本质是刀具与工件材料之间的机械、热、电化学腐蚀的综合作用,是使刀具前后金属材料不断损耗的过程。 对于几种典型的刀具,金刚石膜的磨损机制是“磨损变形-裂纹-碎屑形成” 高速钢叶片的磨损以磨粒磨损为主,腐蚀磨损为辅。 粘结剂(钴元素)的损失是硬质合金刀片磨损的根本原因,因此腐蚀磨损是硬质合金刀片的主要磨损机制。 3.国内外现状及发展方向近年来,随着一些新材料的使用,木工刀具已经多样化。 这些新材料在某些机械和物理性能上具有传统材料无法比拟的优势。 在木材加工行业,最早使用的工具是高速钢。随着硬质合金、金刚石等超硬材料的使用,木工刀具的发展日趋成熟。 涂层处理无疑是当今研究和开发最多的技术。 美国、德国、波兰等国家在这方面做了大量的研究,主要集中在涂层附着力、磨损机理、涂层材料性能对比等方面。 多层涂层、多元复合涂层、金刚石涂层、CBN和CN涂层将是未来刀具涂层的发展方向。 此外,PCD工具还有很多应用。 德国的Leitz公司是世界上最著名的生产木工工具的公司之一。他们开发了MCD单晶金刚石工具,其耐磨性是PCD工具的几十倍。 目前,国内外都非常重视木材加工工具的研究。随着高效率和高环保意识的普及,木材加工这一传统行业被赋予了新的发展方向,即在刀具磨损机理的研究、刀具几何参数的计算和优化、表面处理等方面探索新的前景。特别是在刀具表面处理方面,国外发表了很多文章,国内也有专家对木工刀具的理论做了很多研究,比如南京林业大学的曹萍祥教授。 哈工大在刀具磨损和PCD木工刀具方面也做了很多研究。 4.4.1涂层技术动态研究涂层是一种适用于木工工具的新技术。通常在硬质合金表面镀一层耐磨的TiC、TiN、TiCN3等材料。 目前主要的镀膜方法有化学气相沉积镀膜(CVD)和物理气相沉积镀膜(PVD)。 无涂层硬质合金材料的刀具耐热性和耐磨性低于硬质相本身,而涂层硬质合金刀具的表面硬度和耐磨性几乎完全反映了涂层材料的性能。 因为涂层一般具有比硬质合金更高的硬度(如CVD涂覆的TiC,硬度达到HV3800),并保持基体材料的抗冲击性能。 在木工防腐方面,由于涂层的存在,硬质合金在加工中的“脱钴”现象得到了很好的控制,因此涂层处理可以更好地提高刀具的使用寿命。 波兰研究人员PBeer指出,刀具涂层与原木之间的摩擦系数仍然较高,这对涂层的结合力提出了更高的要求。 附着力好的涂层可以大大提高刀具寿命,提前防止刀具磨损。 但涂层刀具使用到一定程度会因刀具表面粗糙而严重降低人造板的表面质量。 因此,低摩擦系数、稳定磨损和更长的使用寿命成为涂层的研究方向。 德国I.Endler等研究发现,涂层与刀体材料结合力好,表面粗糙度低,切削刃半径小,可以获得良好的切削效果。 当涂层厚度小于5μm时,切削刃半径可以增加很少或不增加,这对于需要锋利刀刃的木工刀具非常重要。 尽管具有优异的性能条件,涂层改进的切削工具还没有很好地应用于木材加工。难点在于机械工艺性、木质材料物理性能、摩擦组织等综合因素的独特性能参数。 这使得选择工具材料和确定工具几何参数变得困难。 在镀膜技术中,离子注入技术的研究也取得了重要进展。 研究表明,离子注入提高工具硬度是由于注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶体强化。 离子注入还可以形成致密的氧化膜,改变表面的电化学性质,从而提高耐腐蚀性,这对于木工刀具的改进会有很大的帮助。 (1)氮化技术碳钢因其性能价格比高,在木工领域得到了广泛的应用,是传统的木工工具。 随着加工质量要求的逐步提高,碳钢木工刀具的改进和改型也是许多研究者努力的方向。 其中渗碳氮化技术效果良好,备受关注。 波兰研究人员J.Rudnicki等人通过研究木工刀具的渗氮,得出了一个结论:对于屈服温度较低的碳钢,采用温度低于400℃的离子渗氮可以取得很好的效果。虽然会增加工具与木质工件之间的摩擦系数,但渗氮技术可以显著提高工具的强度,延长工具寿命一倍以上。 (2)金刚石膜处理过的金刚石膜具有优异的特性,如最大硬度(100GPa)和最高热导率[> 12w/(cm·k)],对化学反应非常稳定,在各种温度下耐非氧化性酸等。因此,金刚石膜用于加工木质复合材料时具有良好的性能条件,其耐磨性和耐腐蚀性能得到充分发挥。 目前,CVD法主要用于合成金刚石。 TiC/TiN层主要用于中间层,以防止钴的扩散并支撑金刚石膜。 M.S.Raghuveer等人研究后指出,用CVD法制备金刚石膜时,钴通过晶界从基体向外转移比金刚石晶粒生长明显得多,但用氢离子化学腐蚀结合TiC/TiN扩散阻挡层可以显著减少。 刃磨的方法可以获得较大的刀具刃口半径,并且可以在CVD沉积过程中保持刃口锋利,对提高金刚石与工具胎体的结合力有重要作用。 迄今为止,金刚石涂层刀具在木材加工中的应用还很有限,仍有一些问题需要解决。 主要原因是:金刚石膜与机体的结合力始终不足,在木材加工中需要锋利的切削刃和小的切削刃,包括切削角度,这是金刚石膜的一个技术难题。 尽管如此,金刚石膜由于其优异的性能,在木材加工中具有良好的应用前景。 4.2聚晶金刚石PCD和PDC PCD(聚晶金刚石)是高性能的合成超硬材料。 它具有较高的硬度、良好的耐磨性和导热性,近年来越来越多地用于木质复合材料的加工。 1979年,德国蓝旗公司首次制造出PCD木工刀具,在加工PB(刨花板)时,其使用寿命是常规硬质合金刀具的125倍。 可见PCD的性能非常优秀。 聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的研究是在PCD刀具研究的基础上发展起来的。 金刚石粉末在超高温高压下一次烧结在硬质合金基体上,从而使PCD和硬质合金复合为一体。由于它兼有金刚石的硬度和耐磨性以及硬质合金的韧性和可焊性的优点,它的出现具有划时代的意义。 目前,PDC刀具复合材料正朝着大型化、晶粒细化、质量优化和性能均匀化方向发展,其应用市场也在逐年增加。 中国木材加工业未来的发展重点是进一步提高成品质量、合格率和产出率,发展涂装加工。 因此,加速采用PCD和PDC刀具将是木工行业的发展趋势。 首先,由于PDC硬度高,耐磨性好,使用寿命是同类硬质合金刀具的20 ~ 400倍,刀具更换时间由几小时一次改为几个月一次。 减少了换机床次数和磨边工时,提高了设备利用率和木制品生产率。 其次,尖背小,可以提高切削速度。 每次增加进给速度也可以提高生产率,并且可以获得更低的粗糙度和更高的精度。 虽然刀具成本是同类硬质合金刀具的10 ~ 40倍,但如果考虑寿命成本分析,最终产品的加工成本可降低20% ~ 69%。 结语在近几年的一次国际木工机械研讨会上,英国著名木工机械专家Geoff.stainton预言,中国将成为世界上最大的木工机械生产基地。 中国是硬质合金的生产大国,硬质合金是木工刀具的主要材料,所以

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