金剛石刀具在難加工非金屬材料方面應用越來越廣泛，它集中體現(xiàn)了聚晶金剛石的各種優(yōu)良特性：各向同性、較強的抗磨損能力、較好的可焊性和可加工性，非常適合石材、硬質碳、碳纖維增強塑料、人造板材等難加工材料的加工。金剛石刀具在加工木材時壽命是硬質合金刀具的20-100倍，加工精度可達0.005mm，可以達到拋光的粗糙度和精度，完全無需再拋光被加工表面，同時減少換刀頻率，加工效率提高10倍以上。

       本文以家具行業(yè)貼面刨花板加工為例，介紹一種金剛石螺旋式銑刀。該金剛石銑刀用于刨花板側面修光，要求貼面正反兩面不能崩邊、加工面平整無紋路、刀具耐用、長時間不換刀。這種刀具采用大軸向前角，模擬螺旋齒加工，單點切削輕快，切削力小，光潔度好。同時，針對貼面正反兩面不能崩邊的要求，采取上下兩排金剛石軸向前角相反的設計，以達到切削要求。

       1  刀具設計及工藝過程

       (1)刀具整體結構設計

       根據(jù)機床結構和廠家要求設計柄部尺寸、刃口外圓尺寸和刃長等參數(shù)。刀具基體采用綜合性能比較好的40Cr，整個刀具采用聚晶金剛石復合片分段焊接而成，采用4排刃口（每排2齒）和一個橫刃組合而成，共9齒。軸向前角為12-15°，橫刃過刀具中心，用于封閉場合的清底加工。刀體結構采用三維軟件進行建模而成。

       圖1為刀具整體結構圖。第1排與第2、3、4排的軸向后角相反。圖2為刀具加工示意圖。在加工過程中，刀具帶軸向后角，可以使貼面板有一個向內的切削力，防止貼面撕裂和出現(xiàn)崩邊；第2、3、4排是同一個軸向后角方向，一把刀具可以同時滿足不同厚度的貼面板不崩邊的加工要求。

       取貼面板上、下兩面切削的一個點作受力分析，如圖3所示，第一排刀齒作用于貼面板反面，除進給方向的分力Fx外，還有一個向上的分力Fz，可有效防止貼面板反面向下撕裂和崩邊；同理，作用于貼面板正面的2、3、4排刀齒會施加一個向下的分力Fz′，能防止地板正面向上撕裂和崩邊。

1、2、3、4.軸向后角5.橫刃

圖1  刀具整體結構設計

       采用類螺旋槽的金剛石刃口設計可以實現(xiàn)瞬時單點切削，切削力小，切削輕快，排屑順暢，從而可以使刀具轉速最大增大到20000轉，并增大切削速度，從而提高刀具的進給速度以及生產效率。

圖2  刀具加工示意圖

圖3  工件切削受力示意圖

       (2)金剛石材料選擇及優(yōu)化

       金剛石刀片材料采用某進口品牌，針對這種耐磨損性高的刨花板材質，分別采用型號為005、010、025和302的金剛石刀片進行試驗。005指細顆粒的金剛石；010是指適中粒度的金剛石；025為粗顆粒的金剛石；302是粗細混合顆粒金剛石。由于銑削加工是多刃的斷續(xù)加工，切入沖擊力周期性地頻繁作用于刃口上，再加上金剛石較脆的特性，必須考慮有引起崩刃失效的可能。面對同一規(guī)格的刨花板材，用上述四種牌號的刀具分別加工，得出的加工測試數(shù)據(jù)見表1。

表1  刀片牌號切削測試表

       通過以上數(shù)據(jù)分析得出，302刀片牌號壽命最高，005刀片牌號壽命最差，025牌號壽命也較差，010刀片牌號壽命居中。一般情況下，粗顆粒金剛石耐磨性比細顆粒更好，細顆粒金剛石的刃口光潔度優(yōu)于粗顆粒。從以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該刀具的主要失效形式有刀具刃口磨損和刃口崩缺兩種，可以得出：細顆粒牌號的刀具耐磨性較差，但不易出現(xiàn)崩刃；粗顆粒牌號的刀具耐磨性較強，但容易出現(xiàn)崩刃；粗細混合顆粒牌號的刀具耐磨性比細顆粒強，崩刃性弱于粗顆粒，所以該型號的綜合性能最優(yōu)，壽命也最長。

       (3)刃帶設計及優(yōu)化

       對于木工刀具，為了保證切口的光整度，刃口一般都沒有設計刃帶，以保持刃口的鋒利性。但是，對于刨花板這種雜質較多又耐磨的材質，應考慮設計一些刃帶，以在保證光整度的情況下提高刀具刃口的抗崩缺性。

本文做了如下試驗：制備4把刀具，統(tǒng)一采用302材質，一把沒有設計刃帶的刀具和3把刃帶長度不同但后角相同的刀具，進行切削試驗對比得出的數(shù)據(jù)見表2。

表2  刃帶數(shù)庫切削測試表

       通過以上測試數(shù)據(jù)得出，0.1mm刃帶的刀具壽命略有提高但刃口失效還是有微崩；0.2mm刃帶的刀具壽命顯著提高，失效形式主要為磨損；0.4mm刃帶的刀具根本沒法使用，說明刃帶過寬，加工過程中要引起切口擦黑。因此，對于此類基材加工，刃口設計有刃帶能在一定程度上防止刃口崩刃，但刃帶大小必須與整個切削系統(tǒng)相匹配。刃帶過窄，抗崩刃效果不明顯，過寬可能會引起切口擦黑。

       (4)工藝過程

       ①工藝流程

       根據(jù)以上設計編制了刀具加工制造的工藝流程，明確了加工設備、公差、檢驗標準等主要工藝流程：毛坯—車削—外圓磨—數(shù)控銑—高頻焊接—噴砂—刃口成型加工—輪廓及跳動檢查—表面處理。圖4是刀體半成品實物，圖5是焊接實物。

       ②關鍵工藝選擇

       整個工藝流程中最關鍵的是金剛石的刃口成型加工。這種金剛石刀具的刃磨難度在于其類螺旋式多排設計，加工設備要保證加工輪廓精度及外圓跳動。目前，國內通常采取兩種加工方式：數(shù)控工具復合磨削和慢走絲放電加工，這些機床結構特性都是能實現(xiàn)多軸聯(lián)動加工?；诂F(xiàn)有條件，試驗選用發(fā)那科α400電加工機床。

圖4  刀體半成品實物

圖5  焊接實物

       電加工流程：輸入圖形DXF—GRT軟件編程（確定加工方式、放電參數(shù)、軸向后角、徑向后角、第二后角、刃帶長度、分度等）—生成打點測量程序—輸入機床測量程序—開始測量—軟件接收打點測量程序—生成加工程序—傳入機床程序，執(zhí)行加工。

       編程采取分5段加工，包括刀具外圓刃口四段（1、2、3、4排）和橫刃5，根據(jù)刀體的設計，各刃段編程方法見表3。

表3  電加工編程分度表

       編程輸入徑向后角14°，軸向后角4°，圖6為編程的模擬加工后角示意圖，圖7為電腦模擬刀具成品三維圖。

圖6  電加工模擬示意圖

圖7  刀具成品三維圖

       經過在線監(jiān)測，每段刃口取點，整個刀具外圓刃口的全跳動在0.006mm以內。將刀具放在ZOLLER儀器上監(jiān)測，整段外圓刃口的直線度在0.008mm以內，滿足設計要求。

      2  應用情況

       目前，金剛石螺旋銑刀已廣泛應用于家具基材加工中的修邊，基本取代了硬質合金刀具，不但提高了修邊加工質量，還提高了加工效率，降低了加工成本。以前使用硬質合金刀具，幾乎每天都要換刀，現(xiàn)在基本上三個月不用換刀，大大降低了人工成本和刀具成本，節(jié)約了加工時間。同時，加工進給速度由以前的20m/min提高到了60m/min，刀具轉速由6000r/min提高到了20000r/min，大大提高了加工效率。

經過現(xiàn)場測試，金剛石刀具加工刨花板的壽命約為硬質合金刀具的120倍，工件的表面粗糙度遠好于硬質合金刀具。

       小結

       （1）類螺旋式雙軸向前角設計，實現(xiàn)單點切削，減小了切削力，同時可有效防止雙面貼面板撕裂和崩邊；

       （2）帶旋轉軸的5軸聯(lián)動電加工機床保證了這類刀具的加工難度，同時有效地保證了加工精度及刃口光潔度；

       （3）加工刨花板材質的人造板，宜采用粗細混合顆粒的金剛石，耐磨性和耐崩刃性較強，綜合性能優(yōu)異，壽命較長；

       （4）針對刨花板材質的加工，金剛石刀具可以設計出與切削系統(tǒng)相匹配的刃帶，在一定程度上可以增強刀尖強度，提高刀具的抗崩刃性。