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中国木工刀具的分类、发展和方向研究
发布时间:2016-12-13

      

我国木工刀具经过多年发展,尤其是最近二、三十年,欧洲、台湾等先进的木工机械的引入,木工刀具的种类大量增加,品质也大幅度提高。

木工刀具市场的发展,对木工刀具的研发和发展方向的研究提出了更高的要求。由于家具行业的战略地位有限,我国木工刀具的生产多数尚属企业行为,不仅规模有限,在标准建设方面也落后于金属切削刀具太多,各商家多是执行自己的企业标准。近年来,由于各企业技术保密,所以众多业内期刊或专业书籍中有关木工刀具研发的文章不是很多,尤其是从纯技术角度对木工刀具的种类、特点、材料、发展趋势等方面的研究文章较少。

本文作者凭借多年木工刀具生产的经验,经过认真调研分析和查询同类文章,撰写本文,阐述了木工刀具的种类、特点、发展历程、发展方向,愿以此与业内同行切磋。

1木工刀具的特点和分类

1.1总体特点

为了切削轻快和排屑方便,木工刀具前角都比较大;为了避免加工后的表面发黑烧焦,刀具后角也都较大;有的刀具如钻头,还专门设计了用于切断纤维的刃口;部分刀具如铣刀,切削速度很高,其中如雕刻铣刀转速往往达到每分钟万转以上;回转型刀具的齿数一般都

不多,目的是更好地容屑和便于排屑。木工刀具的加工对象是木材,但有时候也包括一

些合成材料,如强化木地板、塑料(特别是线路板等胶木)、树脂材料等。根据加工对象的不同,可能会对刀具的一些具体技术指标有不同的要求。

1.2根据用途(使用场合)区分的木工刀具

1.2.1手工木工刀具类

常见的有手工锯、手工推刨、凿孔工具、手工雕刻刀具、钻孔工具、砍削工具。

1.2.2木工锯类

用于锯切木料的刀具,有圆盘状锯片(又称圆锯)、条(带)状锯片、还有链锯和筒锯等,其中以圆锯和带锯最为常用。木工锯加工表面一般较粗糙,仅用于下料和坯料加工。

1.2.3木工钻头类

木工钻头是用来加工通孔或盲孔的端部有刃口的杆状或螺旋状刀具。常见的有三尖钻、支罗钻、阶梯钻等。

整体式钻头:市面上常见的有

碳钢钻头,价格相对较低,加工孔径350mm,用于要求不高、低速的钻孔工具或钻孔机械;木工刀具论坛www.zjwoodtools.cn

高速钢钻头,和碳钢钻头类似,耐用度及价格高于碳钢钻头,一般加工孔径250mm硬质合金钻头,一般加工孔径为5mm之内,多用于线路板钻孔。

半整体硬质合金钻头:一般加工孔径为520mm,采用整体硬质合金的头部和钢材杆、柄部焊接而成;分体式钻头:一般加工孔径在20mm以上可将不同部位的硬质合金刀片焊接(或装夹)在钻头基体上,然后磨削各部位刃口而成。

木工钻头与木工立铣刀(锣刀)不同之处是木工钻头的侧面无刃口,另外木工钻头除了有主切削刃外,还有中间的定位尖,外缘有尖的沉割刃,用以切断木纤维,使孔的侧面更平整,这也是木工钻头区别于普通麻花钻头最显著的特点。

1.2.4 木工铣刀

木工铣刀的成型原理和金属切削铣刀一样,也是范成法的成型原理,由一个或多个刃口的回转运动,配合工件(木料)的进给运动,切削掉多余材料,形成所需表面。成型形状取决于刃口的回转轮廓轴剖面形状,而不是刀具每一个齿的实际形状。

铣刀广泛用于家具生产中加工平面、成形面、榫槽,雕刻等工作。除了前角比较大的特点外,和金属切削铣刀相比,木工铣刀还具有较大的后角(可有效避免木料切削部位灼烧)、切削齿数较少(具有更大的容屑空间)、切削刃的长度和形状跨度大(可一次完成较大余量的切削,从而一次成型)的特点。

木工铣刀根据安装方式可分为柄安装铣刀和孔安装铣刀两类。前者通常又称为立铣刀、锣刀,而后者又常常称为卧铣刀、盘状成形铣刀。木工刀具

1)立铣刀(锣刀、镂刀)、钻铣合一刀(雕花刀、三面刃铣刀、双刃铣刀、单刃铣刀)。

2)柱铣刀、盘状成形铣刀。

1.2.5木工刨刀

本类刀具多为高速钢整体式刀片,用在不同的木工机械中,如刨切机、旋切机、刮光和剪切机等。刨切较多用于低速度的线、面加工,刀片相对于工件一般作直线运动。除手工推刨外,一般用于刨切机切制木皮或薄木(一种优质的装饰材料,多用于柜、门边框的装饰),刨削能够避免锯削木料消耗过大的问题。

旋切一般用于加工胶合板所用之单板,通过木料的旋转和刀片的进给运动,将木料切制成带状单板。

剪切则常见于胶合板生产中单板的裁剪。

1.2.6其他专用木工刀具木工刀具论坛

规模化的生产往往催生各种专用机床,木材加工也一样,一些专用机床的出现甚至会颠覆人们对于切削机床车、铣、刨、磨、钻的传统认识,在刀具上更是如此。例如榫孔加工机就需要专门的空心方凿、带钻头的空心方凿、链式打眼刀和机用凿子等。

1.3根据刀具结构区分

1.3.1整体式

整把刀具由同一种材料制成。这种结构多见于锯条(片)、钻头、立铣刀、雕刻刀、刨刀,其特点是相对标准化生产,一般不使用昂贵材料制作大刀具,所以制造成本较低。

1.3.2刀片+刀体分体焊接式

一般采用硬质合金刀片(或者更高级的金刚石刀片)焊接于钢质刀体上,这样不仅能够保证刀具具有较好的抗冲击性能,也保证了刃口的高耐磨性,一般用于制作体积较大的刀具,如圆盘据、10mm以上的钻头和立铣刀、盘状成型刀具如立轴机和四面刨上常用的地板刀、门框(板)刀、平口刀、切槽刀、修边刀、木线刀、台面刀以及单片指接刀。它们都是将初步具备形状的刀片毛坯焊接在刀体上,然后在仿形磨床或工具磨床上利用靠磨刃磨出需要的形状和刃口。木工刀具论坛 微信

1.3.3刀片可装拆式(含可转位式)也叫机夹式刀具。将高速钢或硬质合金刀片利用夹

具安装在刀体上,刀具磨损后可拆下刀片刃磨或更换刀片。这类刀具虽然使用相对灵活,刀体可重复使用,但是__刀具结构复杂,调整刀片也需要一定的技术水平,所以一般仅在一些专门机床上(如数控加工中心)上使用,而在普通的成型刀具的生产上,一般还是采用刀片+刀体分体焊接式较多。木工刀具论坛 www.zjwoodtools.cn

1.4根据刀刃材料区分

1.4.1碳钢、合金工具钢刀具整体碳(合金)钢的特点是加工成本低,用作锯条(片)、手工刀具等,是非常便宜的木工刀具;

1.4.2高速钢刀具

高速钢大部分也是制作整体式刀具。其刀具材料具有工艺性好,硬度大于碳(合金)钢,韧性高于硬质合金的优点,可制作结构比较复杂的刀具,而且标准化生产时,价格相对便宜。

1.4.3硬质合金刀具

硬质合金硬度高,耐磨性好,但韧性差,价格贵,一般用于制作分体式铣刀、圆盘锯、钻头。伴随着现代木工机械切削速度越来越高的要求,也有采用整体式硬质合金的,但一般都仅限于尺寸较小的钻头、立铣刀等。

1.4.4其他超硬材料刀具

作为新型材料刀具,金刚石或立方碳化硼刀具已经开始在强化木地板、复合材料切削加工以及对加工精度要求较高且稳定性要求很好的场合占据越来越大的市场份额。

2木工刀具的发展历程

木工刀具已由手工加工阶段,经由机械加工阶段发展到自动控制加工阶段,到2007年左右,国外木工机械产品品种的90%已经数控化,遗憾的是我国这个比例尚不足10%

在每年的木工机械展销会上,一些智能化、专业化的木材加工机械的演示令人叹为观止,吸引了众多的参观者。特别是在一些智能化的雕刻机的演示中,能明显看到刀具的互换性对刀具加工的标准化所提出的要求,在对不同部位的雕刻中,又能看到对刀具综合功能的需求。但是令人遗憾的是,这些机械大多数是进口的,而其使用的刀具也是原配的或者至少是进口的。即便是偶尔看到国产的自动控制木工机械,上面安装的也多是进口刀具。

3我国木工刀具生产的现状木工刀具论坛 微信号

我国木工刀具行业的发展相对滞后,至今仍然没有摆脱高端木工刀具大量依赖进口这一尴尬局面。据有关资料介绍,2010年我国各类刀具销售总额(进口的和国产的)为330亿元,居世界第一,而且这个数字还在以每年40%以上的速度增加,但是,上述销售额里130亿元的高端刀具中,有110亿元是进口刀具带来的。不过正因如此,我国木工刀具制造行业存在着巨大的商机。

3.1我国木工刀具生产的区域特点

哈量集团为代表的哈尔滨刃具制造企业曾经占据了我国金属切削刀具的半壁江山,在木工刀具的生产上也成为我国老牌的木工刀具生产基地,在相对标准化的木工锯、钻头、铣刀、刀片等方面占据一定优势地位。但也正因为其,在新技术引进、产品更新换代、满足客户个性化需求等方面的反应速度不是很理想。

珠三角特别是深圳、东莞、顺德的木工刀具生产形成规模是在1994年以后。由于广式家具的热销,珠三角的木材加工企业迅速发展,以家具、线材、门板、地板生产设备为主的木工机械给木工刀具提供了巨大的市场,短短几年就催生了数十家专业生产木工刀具的企业。他

们引进国外和中国台湾省技术,先是给各种经典进口木工机械(立轴机、四面刨、木工铣床)做配套,生产盘状成形铣刀、立铣刀(锣刀)为主。后来顺德木工机械国产化形成规模后,大量做低端木工刀具的企业逐渐集中到顺德一带,少量定位在高端刀具的企业留在深圳。总体来说,珠三角的木工刀具企业具有规模小、反应快、个性化定制、技术含量低、非标准木工刀具为主的特点。以当初的深圳利威木工刀具有限公司为例,早在1993年就推出了定制任何形状的立轴机、四面刨用刀,保证一星期交货的承诺,这在一些老牌的国营刀具企业看来是不可想象的。木工刀具论坛 微信号

山东青岛一带的木工刀具企业发展情况与顺德类似,起步时间略晚于顺德。主要也是依托周边大量的木工机械制造商而形成木工刀具市场。

近些年,随着家具制造业内迁程度加大,木工刀具制造业也出现了全国遍地开花的现象。

值得注意的是,在国内企业看到商机的同时,众多国际著名企业纷纷进军中国木工机械和木工刀具市场。1977年,最大的木工刀具制造商,号称刀具王国的德国蓝帜集团入驻南京,建立了蓝帜(南京)工具有限公司。在其带动下,美、日、意、德、中国台湾省众多企业也把自己的加工基地全部或部分搬到中国大陆。到2010年后,中国木工刀具生产行业的竞争达到白热化

3.2我国木工刀具材料现状木工刀具论坛 微信号

除了手工刀具、木工锯等木工刀具外,工具钢作为刃具材料已经在世界上淘汰,我国也一样。目前,我国的木工刀具材料正处在由高速钢向硬质合金过渡的阶段,超硬材料、涂层技术等也伴随着国际先进刀具企业的进入而落地。一般的小型木工刀具企业在生产盘状成形铣刀时,都采用了硬质合金分体焊接式结构,而部分厂家在生产强化木地板的地板刀时,甚至以金刚石刀片为主推产品。和卢森堡、瑞典等国优质硬质合金相比,国产的硬质合金刀具材料不尽如人意。事实上,国产硬质合金在木工刀具中的市场占有率远低于进口硬质合金,尽管进口的在价格上要高出一倍。

但是不少国内硬质合金生产商也在奋起直追加大科技投入,比如株洲某公司生产的纳米硬质合金韧性和强度两项指标就得到了较大幅度的提高,已经达到国际先进水平。相信,在不远的将来,作为硬质合金原材料生产第一大国的中国,在硬质合金刀片生产上也会成为世界强国。木工刀具论坛 微信号

3.3我国木工刀具生产的一般工艺过程

3.3.1整体式木工刀具

整体式木工刀具主要由大型的金属切削刀具企业生产,由于刀具相对标准化,其生产工艺相对成熟,这里不做描述。

3.3.2分体(焊接)式木工刀具

这类刀具,多为定制产品,缺少统一标准,单件小批生产。大型企业往往不太愿意生产这种刀具,小型木工刀具生产商则以此为主要利益来源。其中以成形铣刀(立铣或卧铣)最多。

无论是立铣刀(镂刀)或卧铣刀(盘状成形铣刀),其生产工艺过程都大致如下:

1)刀体下料(锯切圆钢或根据形状要求锻造毛坯);刀片下料,一般用线切割机切割刀片和仿形磨床上用的靠磨;木工刀具论坛 微信

2)车削刀体各部位直径尺寸及长度(按刃口回转直径和形状收缩13mm);

3)铣削刀体容屑槽(也就是磨削刃口时需要的砂轮越程槽);

4)铣削刀体上的焊刀片位。某些刀具不需要专门的焊刀位,可免;

5)清理刀体毛刺,矫正薄弱部分的变形,有条件的还要进行薄弱部位的热处理以提高强度;喷砂处理刀片污渍;刀体、刀片、焊剂脱脂;

6)焊接刀片(具备条件的采用激光焊、高频焊,无条件的小厂一般采用手工氧焊,但无论何种焊接方式,一定要有保温措施,确保缓慢冷却,避免出现大的内应力甚至裂纹);

7)清理焊渣和清洁刀具;

8)用工具磨床粗磨前刀面;

9)利用仿形磨床刃磨后刀面,形成需要的刃口形状,可视情况决定是否需要分粗、精磨;

10)检验及返修。含刃口形状检验、动静平衡检验、组合刀具的组合调整;

11)用工具磨床精磨前刀面;

12)封刃口、油漆、配木样入库。

3.3.3刀片可装拆式木工刀具

由于刀片是可拆卸的,所以主要是刀体的制造,其生产和一般的机械零件加工无异,只是同样要注意动平衡的问题。

3.4我国木工刀具生产的水平及问题木工刀具论坛 

国产的木工刀具较发达国家而言还有较大差距,从市场份额上看,我国消耗着全球40%的高速钢和硬质合金材料,却只实现了15%的产值。我国木工刀具产量和日本大体相当,但产值却只相当于日本的三分之一。技术差距主要体现在:刀具生产的技术指标还远低于国际水平,精度指标一般要低23个精度等级,耐磨性只相当于国际标准的3050%;品种规格少,特大型锯片、大型刀片(三米以上)、可调木工铣刀、可调式锯片、减震消音锯片、液压套筒铣刀、陶瓷刀片尚属空白,金刚石刀片的生产虽然前景很好,但目前整体质量和后期加工水平还有限;国产刀具的外观、外形、防锈方面和进口刀具还有明显区别;焊接质量不稳定,偶有刀片脱落导致人员伤亡。

造成这种现象的原因有:

由于起步晚,跟风现象重,管理落后。

专业程度低,目前国内木工刀具企业有1000多家,但专门做刀具的不足100家,其市场份额低于刀具总销售额的10%,散、小、专业水平低的特点非常明显。

技术落后,技术革新、技术引进投资不足,导致低端市场价格恶性竞争。

由于我国缺乏对于木工刀具质量的强制性规定,加之动平衡检测设备价格高昂,众多中小企业用静平衡代替动平衡,导致刀具的运转精度和稳定性差,噪音大、使__用安全性也低,由木工刀具引发的安全事故时有发生。

刀具原材料质量不高,以WC-Co硬质合金为例,国外量产的合金晶粒已经达到0.2μm,美国采用喷雾转换工艺的硬质合金晶粒在实验室中甚至达到2040nm,而国产硬质合金的晶粒仅为0.6μm左右,至于0.2μm的晶粒只有株洲硬质合金有限公司和上海材料研究所等

少数单位在实验中能够达到,尚不能量产。众多刀具企业在价格恶性竞争环境下,只能大量使用价格相对低廉的国产合金生产低端刀具,市场竞争力可想而知。刀体材料方面,大多数刀体未经热处理强化。木工刀具论坛

4木工刀具的发展方向

4.1国家支持与标准化建设

拓宽刀具品种、类别,开发高端木工刀具及其木工机械,加强刀具标准化建设,提高国际标准的覆盖范围并向国际标准靠拢从而提高国际竞争力是我国木工刀具业的发展方向。比如自动化木工铣钻设备大量采用的刀具液压快速装夹机构,就对刀具的尺寸、形状精度有非常严格的要求。即便目前我国高端木工机械一时还不能和国外先进水平竞争,那么注重进口机械的配套刀具研发,降低进口机械的使用成本,也是刀具行业一个很好的努力方向。国家应有计划扶持竞争力强、科技水平高、有技术开发能力的优秀企业,鼓励参与国际竞争并引领国内行业发展。现代木工设备往往转速极高,一般达到3 0 0 012000r/min以上,国家应强制性规定此种设备配套刀具必需经过动平衡测试,并应达到ISO19401划定的G4.0平衡质量等级以上要求,同时还要对刀片的装夹或焊接出台严格的国家标准,以保护劳动者的生命安全。

4.2加强高端刀具材料的研发

高速、高效、高精度、高强度、高硬度、高耐磨性是木工刀具材料的永恒追求。未来几年内,在株洲硬质合金有限公司和上海材料研究所等科研院所依照国家863计划研制出的超细晶、纳米晶基础上,我国高质量硬质合金特别是纳米级硬质合金有望量产并达到国际先进水平。

1为各种刀具所合适加工的工件材料。

1反映,聚晶金刚石(PCD)虽然不适合加工钢材,却无疑是木材及非金属、有色金属加工最理想、最具发展前途的刀具材料。事实上,我国在人造金刚石的生产上处于国际领先地位,目前我国金刚石总产量占全世界的90%95%,已达150亿克拉左右/年。而且是低碳环保型产业,无污染,能耗低。木工刀具论坛 

虽然我国金刚石颗粒的价格已经很便宜,但是用作刀片的聚晶金刚石复合片仍然存在内部结构不紧密、不均匀,以至造成整个聚晶/复合片工作不稳定的问题,金刚石刀具对于焊接的要求也很高,一般应采用激光焊,至少也要采用高频感应钎焊。

不过,近年发展迅速的金刚石涂层刀片也许可以有效弥补聚晶金刚石复合刀片的这些局限。国外的优质刀具采用涂层技术的已经占到80%左右。目前刀具的主要涂层材料为TiNTiC,由于人造金刚石粉末价格的快速下降,现在采用CVD金刚石涂层刀具用作非金属和有色金属切削的发展势头已非常强劲。

随着金刚石复合片技术和金刚石涂层技术的提升,配以我国强劲的生产能力,聚晶金刚石复合刀片和金刚石涂层刀片全面取代硬质合金,成为主要的木工刀具材料应该很快就会变成现实。木工刀具论坛 www.zjwoodtools.cn

至于立方氮化硼 (CBN)、陶瓷等刀具材料,由于价格上较金刚石并没有优势,在木工刀具上没有过多研究的必要。

4.3提升刀具综合性能

将来成功的木工刀具企业,其产品必然是在耐磨性高的前提下,同时达到足够的整体刚度、强度、尺寸和形状精度,具备良好的焊接质量(焊缝既薄且均匀),满足动平衡指标,运转噪音低,安全性高并且整体外观漂亮等。

对于相对标准化的刀具,如钻头、立铣刀、单片指接刀,企业引进专用设备,提高自动控制比例,形成成熟的符合批量生产特点的生产工艺,对提高产品质量,降低生产成本有重要的意义。

另外,提升木工刀具的检测手段和检测效率也是高品质木工刀具生产的重要因素,必须有专业的木工刀具检测系统。在这方面,北京领邦仪器技术有限公司研制的硬质合金刀片自动检测设备就是一种突破,该设备主要采用非接触式测量方式,快速检测硬质合金刀片的

尺寸公差、形位公差等,包括厚度、厚度差、长度、宽度、平弯变形、侧弯变形等指标,效率可达每秒一个。另外,专业的硬质合金焊接超声波无损探伤设备也是所有专业木工刀具企业必备的检测设备之一。

4.4注重市场需求木工刀具论坛 

市场对木工刀具产品的需求永远都是廉价、优质、耐用、供货及时,但具体到特定的产品,顾客往往会各有侧重。

一方面,国家应加强标准建设,促进钻头、立铣刀、单片指接刀的刀具的标准化、精细化、耐用化、批量化,形成国家标准或行业标准。这将很大程度避免重复投资,对降低刀具的市场价格有重大意义。另一方面,尊重市场的个性化需求,如一些个性化木艺可能需要各种非标的木工刀具,对于此类顾客,他们更关心的可能是定制刀具的供货速度;某些刀具使用频率和加工精度要求不高,那么其对刀具的耐用度、精度等指标可能就没有过高要求,这也就给部分定位于低端刀具的商家留下了一定的生存空间。木工