板式家具部件的主要切削刀具

木工刀具论坛2018-09-13 14:57:27

作者:曹平祥 郭晓磊

(南京林业大学木材工业学院,南京 210037)


1 概述
板式家具是以各种贴面的人造板作为板式部件,借助五金联接件、圆棒榫等结合方式组装而成的家具。板式部件是贴面人造板基材和封边材料组成的复合结构材料。常用的基材有中密度纤维板、刨花板、多层胶合板、细木工拼板和单板层积材等人造板,贴面材料主要有三大类:木质、纸质和塑料。木质贴面材料包括天然薄木、人造薄木和单板等;纸质贴面材料有印刷装饰纸、合成树脂浸渍纸和装饰板;塑料贴面材料有聚氯乙烯(PVC)薄膜和聚丙烯薄膜。
板式部件切削加工是板式家具生产过程中至关重要的一个环节,直接影响板式家具的外观和品质。板式部件主要采用锯、铣和钻等切削方式,使用的设备为开料锯(推台锯,电子开料锯)、双端铣、封边机、多排钻和CNC加工中心等。 下面以设备为主线介绍板式部件加工的主要刀具。

2 开料锯圆锯片
目前,生产企业一般使用推台锯或电子开料锯裁切板式部件。开料锯机具有两个锯轴,如图1所示,配有两把圆锯片。处在进给前方,先切削工件的为划线锯(顺锯方式),其后为主锯片(逆锯方式)。划线锯采用顺锯方式,即切削速度方向与进给速度方向一致,切削力的垂直分力将贴面层向上推,防止主圆锯片破坏下表面的贴面层。划线锯的锯路宽度根据主圆锯片的锯路宽度而定,通常划线锯的锯路宽度比相应的主锯片大0.2~03mm,防止主锯片破坏下表面的贴面层。



推台锯锯切时,工件跟着工作台移动;电子开料锯则不同,主运动和进给运动均由圆锯片完成,是精密、重型和高效裁板设备。因此,电子开料锯与推台锯的圆锯片规格参数不一致。
2.1 推台锯的圆锯片
推台锯的划线锯为2片组装的圆锯片,齿形多为平齿(FZ),两个圆锯片之间距离采用垫片或螺钉调节,调节范围为2.8~3.6mm。锯片直径为10、120、160mm,对应的孔径为20、22、30mm,对应的齿数为Z10+Z10、Z12+Z12、Z16+Z16,前角12°、后角15°,前齿面内凹角1°、后齿面内凹角4°,锯料量0.4mm。
推台锯的主锯片齿形多为梯平齿(TR/FZ)、后齿面交错斜磨齿(WZ)或梯形齿(TR),初始锯路宽度3.2、3.5mm,锯身厚度2.2、2.5mm,锯片直径300、350mm,孔径30mm,齿数为Z72、Z84、Z96、Z108,前角10°、后角15°,后齿面斜磨角15°、前齿面内凹角1°、后齿面内凹角5°,锯料量0.5mm。
主锯片锯齿修磨后,锯路宽度会变小。划线锯的锯路宽度需要调整,保证划线锯锯路宽度比主锯片的锯路宽度大0.2~03mm。由于推台锯没有像电子开料锯一样配置上压梁,划线锯锯切深度因工件变形而改变,因此推台锯不能采用锥形齿的划线锯,必须采用双片组装的平齿划线锯。
2.2 电子开料锯的圆锯片
划线锯一般为锥形齿(KON),见图2,锥角为10°。在锯切容易崩边的贴面板(如三聚氰胺树脂浸渍纸贴面板)时,有时采用后齿面斜磨的锥形齿(KON/WZ)。锯路宽度B根据主圆锯片的锯路宽度而定,通常主锯片锯路宽度比相应的划线锯大0.2mm或一致。因划线锯切入深度为1.5~3mm,因此,划线锯实际锯切宽度略大于主锯片。划线锯的常用规格尺寸与电子开料锯机的品牌及型号有关,见表1。划线锯的前角一般为5°、后角为15°、后齿面内凹角为5°、后齿面斜磨角为15~25°。




主锯片为一般采用TR/ FZ、WZ、TR/TR齿形,用于锯切人造板素板或贴面板,常用规格见表1。法兰盘直径和圆锯片外径密切相关,通常是圆锯片直径的1/3~1/4。梯平齿主锯片的梯形齿与平齿交错配置,在半径方向上,梯形齿比平齿高出0.46mm。锯齿前角一般为15°、后角为15°、前齿面内凹角为0.5°、后齿面内凹角为6.7°。锯切高度与圆锯片直径、锯身厚度、圆锯片适张度及锯切材料密切相关。通常锯切时,主锯片露出工件表面的高度为10~15mm。
3 双端铣刀具
经裁板锯裁切的板式家具部件存在崩边和形位误差大的问题,需要经过双端铣进行规方定寸、开槽或修边。加工板式家具部件的双端铣一般配置4对刀轴(每侧4只刀轴)。为了满足板式家具部件的加工要求,双端铣常用的刀具配置方式如下:
1) 刀轴1:下水平, 划线锯,气动控制跳动
2) 刀轴2:下水平,粉碎刀
3) 刀轴3:垂直,跳刀,气动控制跳动
4) 刀轴4:垂直,修边刀
如图3所示,划线锯安装在刀轴1上,先在工件下表面切出线槽;粉碎刀安装在刀轴2上,将边部材料截断及粉碎成切屑。当加工后/软成型的板式部件时,划线锯能气动控制上下跳动,以顺锯方式先切断包边材料,防止粉碎刀撕裂包边材料。跳刀安装刀轴3上,是自动控制的防撕裂刀,采用顺铣方式;修边刀安装在刀轴4上,以逆铣方式切削,两者刀齿廓形是镜像。刀轴3及刀轴4的角度可以调节成垂直、水平或倾斜,转速多为6000r/min。刀轴3、4的刀具必须借助专用轴套或液压夹紧轴套固定,专用轴套的固定方法与刀轴2相同。


若不加工后/软成型的板式部件时,双端铣的功能主要是规方定寸,那么只需要2对刀轴。下面以2轴双端铣为例讨论典型的刀具。
3.1 刀轴1——划线锯(如图4所示)
划线锯通过螺钉(6×M6)固定在专用的轴套上,轴套孔径为φ30H7,刀轴直径φ30g6,双键连接,键为8×7。划线锯孔径为φ65H7,专用轴套的轴径为φ65g6。通过内六角螺钉(双螺纹 M16,M12)及端盖将专用轴套固定在刀轴上。刀轴转速为3000r/min。



划线锯规格参数如下:
尺寸:φ180×3.5×65(mm);齿形: 后齿面斜磨齿(ES);齿数: Z36, Z48, Z58;角度参数:前角γ=10o,后角α= 15 o,前齿面锯料角=1 o,后齿面锯料角=5 o
3.2 刀轴2——粉碎刀(如图5所示)
粉碎刀通过螺钉(8×M8)固定在专用的轴套上,轴套孔径为φ35H7,刀轴直径φ35g6,双键连接,键为10×8。粉碎刀孔径为φ80H7,专用轴套的轴径为φ80g6。通过内六角螺钉(双螺纹 M20,M16)及端盖将专用轴套固定在刀轴上。刀轴转速为3000r/min。
粉碎刀种类较多,根据结构,可以分为整体粉碎刀、装配式粉碎刀和组合粉碎刀;根据刀具切削部分材料分为硬质合金粉碎刀和金刚石粉碎刀。



目前,在板式部件加工过程中,多采用金刚石粉碎刀,常用的规格参数如下:
尺寸:φ250×8/15×8(mm),长、短齿交错配置;齿形: 后刀面斜磨,斜磨角15°; 前刀面斜磨,斜磨角12°;齿数: Z24(短齿)+Z12(长齿);角度参数:前角γ=10o,后角α= 15 o
4 封边机刀具
4.1 齐边铣刀
封边机上配置前后两把齐边铣刀,见图6,第一把为气动控制的跳刀,采用顺铣切削方式,起到防封边条撕裂的作用;第二把为逆铣。两把铣刀尽管切削方向相反,但铣削深度一致。防撕裂铣刀先将工件端部以压向工件内部方向,切去一角,第二铣刀切削时就不会撕裂端部封边条。


齐边铣刀切削部分的材料为聚晶金刚石复合刀片,焊接在刀体上。刀具切削圆直径为φ100~φ125mm,切削宽度为30~60mm,刀具孔径φ30mm(双键槽)。在铣刀宽度方向的刀齿按图7上、中、下配置。上、下刀齿与铣刀轴线有一倾斜角(15~20o),倾斜方向相反。在切削过程中,上、下刀齿切削力在轴向有一分力,使工件的贴面材料压向工件内部,保证贴面材料不撕裂。中齿与刀具轴线平行,切削工件中部材料。



4.2 前后截断锯
前后截断锯的直径、孔径及安装定位尺寸依据不同的封边机型号而定,其齿形及角度根据封边条材料、厚度而定。对于0.4mm厚的封边条,宜采用负前角、前后齿面单向斜磨的齿形;对于厚度3mm的PVC封边条宜采用正前角、前后齿面单向斜磨的齿形;对于铝合金封边条,宜采用小前角、前后齿面双向大角度斜磨的齿形。
4.3 修边刀
根据结构形式,修边刀分为整体铣刀和装配式铣刀;根据切削部分材料分为硬质合金和金刚石铣刀;根据装夹方式分为普通装夹与HSK装夹;根据功能分为粗修和精修铣刀。粗修铣刀的刃口为直线,见图8。精修铣刀的刃口一般为R2或R3的圆弧,见图9。
粗修铣刀直径和孔径依据设备型号而定,直径一般为70mm, 孔径为16、20mm,带键槽,齿数为4、6。



精修铣刀直径和孔径也取决于设备型号,精修铣刀直径一般为56、78mm,孔径一般为16mm,带键槽,齿数为4、6。
在刀具设计时,刀具刃口分为直线段和圆弧段,粗修时使用刃口的直线段;精修时使用刃口的圆弧段,这样0.4mm与3mm厚的封边条能用同一刀具进行修边。
为了提高铣刀的装夹精度,降低刀具振动,现多采用HSK25R、HSK32R锥形装夹方式,如图10所示。
HSK 25R/32R锥形装夹用于空间小、不适宜HSK F63或液压装夹的设备,如封边机。
特点:
1) 锥面与端面同时夹紧,装夹精度高。2)重复定位精度高。3)安全性高、锁紧力大。4)可承受的转速高,12000r/min


5 CNC加工中心刀具
CNC加工中心是集锯、铣、钻等切削方式为一体的机床,使用的刀具很多,但刀具的装夹不同于其他木工机床。因此,主要介绍CNC加工中心的刀具装夹。
CNC加工中心上使用的所有刀具都要借助卡套与主轴相联,驱动刀具旋转。柄铣刀的柄部直径为6~ 25mm,可以直接装夹在卡套内。套装铣刀直径大,有安装中心孔,需要通过专用刀柄卡套(见图11)实现快速装夹。



CNC加工中心配有盘式或链式刀库,满足自动快速换刀的基本要求。圆锯片、钻头、柄铣刀和柄装套装铣刀等刀具放在刀库的指定位置。与通过式进料设备的刀具相比,CNC加工中心刀具具有以下特点:
1)转速高,变频无级调节,在10000~24000r/min;
2)柄装铣刀的端面和侧面都有刃口,齿数少,标注后角大(15~20O),切削圆直径较小;
3)套装铣刀直径最大切削圆直径一般不超过φ160mm,刀体采用铝合金制造,降低刀体质量;
4)刀具需要借助空锥形卡套HSK 或 锥形卡套SK实现刀具的快速装夹;
5)刀具结构要满足刀具的基准高度调节。
CNC加工中心的主轴锥孔通常分为两大类: 锥度为7:24的系统和1:10的HSK系统。锥度为7:24的通用卡套通常有5种标准和规格,即NT(传统型)、DIN 69871(德国标准)、IS0 7388/1 (国际标准)、MAS BT(日本标准)以及NSI/ASME(美国标准)。锥形卡套SK是德国标准DIN 69871的柄部代号,SK卡套由7:24锥面卡套主体、螺母、卡簧和尾部螺钉(用于调节基准高度)组成,有SK30、SK40及SK50三种类型。
SK卡套(见图12),是靠卡套7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位的,通过卡套尾部的螺钉将卡套拉紧连接的。因此,与HSK相比,存在动态特性差、连接刚性低和重合精度低等不足。



HSK锥形装夹是通过刀具的锥形内孔及与之配合的锥形刀轴,在夹紧力的作用下,其端面和锥面同时被夹紧的装夹。HSK卡套的德国标准是DIN69893,有6种标准和规格,即HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F,木工刀具常用的为HSK-F 63。
HSK卡套的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触,而且使卡套的法兰盘面与主轴面也紧密接触,这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于SK卡套。与SK卡套相比,HSK卡套具有下列优点:



1) 可适应高速旋转,20000~40000r/min; 2)端面与锥面始终同时定位,安装刚性高; 3)
由于有辅助分离功能,即使在刀具热膨胀时,也能方便卸下;4)定位精度高,径向跳动不超过5μm,轴向重复定位精度高达 1μm。
因此,目前CNC加工中心多采用HSK F63 装刀卡套。
6 结束语
板式家具部件的切削刀具的研制、开发及应用依托于切削对象、产品的生产工艺、制造设备、刀具材料及制造技术等方面。在此基础上,逐步完善刀具自身的结构和应用,在达到工件表面粗糙度和形位公差的前提下,满足刀具快速装夹、高耐磨、低噪声和高效排屑的要求。以上归纳的只是板式家具部件切削刀具的一小部分,愿与从事刀具使用和研究的人员一起商榷。不妥之处,请批评指正。



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