CN105922377B - 降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法，其中所述木工刀具包括刀具本体，所述刀具本体包括前刀面和后刀面，且所述前刀面与后刀面之间形成倾斜的切削刃，且在所述前刀面靠近所述切削刃的位置设有微结构纹理。所述制造方法包括：在木工刀具的前刀面靠近切削刃的位置上通过激光或微小磨粒喷射或微电子机械系统方法生成微结构纹理。

Description

降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法

技术领域

本发明涉及木工刀具减磨技术领域，特别是指一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法。

背景技术

切削加工是木材加工中应用最广泛的方法之一。高效、节材和降耗切削加工是现代木材加工技术的必然趋势，而木工刀具的切削对象是具有复杂组分的木材和多种木质复合材料(参考文件1：曹平祥.木工刀具抗磨技术进展[J].林业科技开发，1997，28(6):10—12.)，所有刀具在切削过程中刀头及基体都会磨损与发热(参考文献2：曾娟，张占宽.润滑耐磨功能涂料在木工刀具上的应用[J].木材加工机械，2007(2):48—50.)，刀具磨损依然是制约刀具寿命和切削效率进一步提高的关键因素。因此，降低刀具与木材表面的摩擦系数、提高刀具耐磨性、延长刀具寿命成为现阶段研究木材切削加工的核心课题。

刀具切削木材的过程实质是刀具与工件材料发生机槭的、热的和化学腐蚀作用，刀具前后面的金属材料不断消失的过程(详见参考文件1)。伴随刀具刃口变钝，工件加工表面的材料会被搓差、撕裂、挖切，表面粗糙度提高，颜色变深，甚至烧焦发黑，造成切削过程中断，不仅大大缩短了刀具使用寿命，而且严重降低了产品质量和机床使用效率，增加了换刀磨刀次数和机床启动频率(参考文件3：曹平祥.木工刀具磨损机理及抗磨技术[J].林产工业，2001，37(2):101—107.)，影响了产品的加工成本和生产效率。刀具因为摩擦、高温磨损而引起快速失效限制了木材切削加工技术的发展，同时也对木工刀具材料的性能提出了较高的要求，要求其具有很高的热硬性、耐磨性、导热性及抗冲击性。采用有效的技术改进刀具性能，改善切削摩擦状态，降低切削力和切削温度，从而抑制刀具过快磨损，保证产品质量，进一步提高加工效率已成为各国学者研究的热点。

目前对于刀具处理主要从以下几点着手：

(1)研究新型表面涂层技术，使用如TiAlN、TiAlCN、氮化碳(CN)、金刚石及聚四氟乙烯(PTFE)等作为刀具涂层材料(参考文献2、参考文献4：Chtaro Katoet al.The wearcharacter istic of a wood working knife with Chromium[J].Plant IV Journal ofWood Science,1991,37(11):1004—1010.参考文献5：李黎.表面涂层木工刀具的研究进展[J].木材工业,2007,21(4):1—4.)；

(2)优化刀具结构，包括在刀具仿生自锐技术、锯齿齿形结构优化等方面的研究；(参考文献6：谢迪武.电火花强化涂层木工刀具自锐性研究[D].南京：南京林业大学，1997：11—40.参考文献7：马岩.国外木材切削理论研究的进展[J].木材加工机械，2008(4):35—39.)；

(3)开发新型超硬、陶瓷等刀具材料，如超细硬质合金、立方氮化硼以及三氧化二铝陶瓷等材料(参考文件8：马岩.国外木材切削刀具设计理论研究新进展[J].林业机械与木工设备，2007，35(3):4—8.)。

目前尽管各种新型刀具材料和刀具结构层出不穷，但是仍存在这些新型刀具材料制造成本高、刀具涂层在切削时易破损、热稳定性低等问题，木工刀具材料仍以硬质合金为主，在进一步提升加工效率和延长刀具寿命基本上只有通过改善刀/工件表面摩擦状态来降低切削力和切削温度，进而抑制刀具磨损的方法来实现。因此，如何在刀具工作表面形成优异的工作面成为木工刀具减磨技术一个重要的研究方向。

发明内容

针对现有技术中存在的刀具易磨损、热稳定性差的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种效果更好的降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具，包括刀具本体，所述刀具本体包括前刀面和后刀面，且所述前刀面与后刀面之间形成倾斜的切削刃，且在所述前刀面靠近所述切削刃的位置设有微结构纹理。

其中，所述微结构纹理由多个圆形凹坑或圆形凸体或平行凹槽或交叉网状凹槽组成。

其中，所述微结构纹理为圆形凹坑或圆形凸体，且所述圆形凹坑或圆形凸体的直径为10～100μm；且圆形凹坑或圆形凸体阵列的中心距在50μm×50μm至200μm×200μm间。

其中，所述微结构纹理为平行凹槽，且所述每一凹槽的宽度为10～100μm，深度在10～60μm，且所述平行凹槽的中心距在50μm×50μm至200μm×200μm间。

其中，所述微结构纹理结构上涂覆有润滑助剂。

其中，所述润滑助剂可以为液态或固体石蜡、聚四氟乙烯、切削油、水性切削液或其他任何润滑助剂。

其中，还包括一储存刀具的盒子，所述盒子材料为铁，盒子的外表面喷涂抗腐蚀的涂层，该涂层包括粘结底层和抗氧化表面层；

所述粘结底层制备方法为：采用镍3份，钼5份，铝8份，二氧化硅1份，氧化硼1份，钴2份，铬1份，钒1份的合金粉末，用等离子喷涂机喷涂，涂层厚度0.1mm；

所述抗氧化面层制备方法为：采用钼6份，铬5份，硅7份，铁3份，镍2份，铝1份，碳0.02份，磷0.01份，钴1份，二氧化硅2份，氧化铝1份，钇3份，钨2份，钒2份的合金粉末，用等离子喷涂机喷涂，涂层厚度0.2mm。

同时，本发明实施例还提出了一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具制造方法，包括：在木工刀具的前刀面靠近切削刃的位置上通过激光或微小磨粒喷射或微电子机械系统方法生成微结构纹理。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：基于发明人对木工刀具的研究，本发明实施例提出了一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具及其制造方法，通过微织构在木工刀具表面上的应用，通过表面微结构减磨来提高木工刀具的工作效率和使用寿命。由于储存刀具的盒子表面涂覆了防腐蚀涂层，使 得盒子性能稳定，不易被氧化腐蚀，刀具存放在里面会非常安全，不容易受到外界环境的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的木工刀具的侧视剖视结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1、图2所示的木工刀具切削时的示意图；

图4为微结构纹理为圆形凹坑或圆形凸体的示意图；

图5为微结构纹理为平行凹槽的示意图；

图6为交叉网状凹槽的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在自然界，一些昆虫、蛇、穿山甲、鲨鱼等动物的体表并非是完全光滑的，存在有一定几何形状的微小结构单元随机地或规律地分布于体表某些部位，这些非光滑特征的微观表面形貌往往具有比光滑表面更小的摩擦阻力。基于对以上现象的观察，摩擦学研究领域提出了表面微织构的概念(参考文献9：Volchok A,Halperin G,Etsion I.The effect ofsurface regular microtopography on frettingfatigue life.Wear,2002,253(3-4):509-515.)，表面微织构属于表面功能结构的一种，是微米级的表面功能结构，是仿照生物的这些性能在物体表面加工出不同尺寸不同形貌的结构。目前表面结构类型主要包括:圆形凹坑(凸体)、平行凹槽、交叉网状凹槽。

表面微织构在刀具上的应用是指通过电火花加工、电解加工、激光加工等方法，在切削时受力较大的刀具前刀面上加工出具有的一定尺寸、形状和排列规则的微小结构阵列，如图2所示以木材刨切刀为例。

如图3所示，木工刀具的切削刃材料一般为硬质合金切削刃2，硬质合金 切屑刃2钎焊在刀具基体4上，表面微织构通过电火花加工、电解加工、激光加工等方法在刀具前刀面F2上靠近刃口的位置加工出来，当刀具切削木材1时，如同将刀具置于复杂的介质中，既有造成刀具机械擦伤的硬质点，即节子、树脂、石英砂等，又有水分参与，因木材本身就含有水分，木材切削中有水分参与，特别是在新材采伐、单板旋切和单板刨切时，都有大量的水分参与。前期研究还发现(参考文献15：彭晓瑞，张占宽，李伟光等.润滑冷却介质对刀具与木材表面之间摩擦系数的影响[J].木材工业，2012，26(5)：52-55.)：木材切削时，微量的水分可以作为切削时刀具与木材间优良的润滑冷却介质，有助于改善刀具在的切削时刀-屑接触状态和润滑状态，降低摩擦系数。而木材切削的过程从微观角度而言是圆弧形刃口前端压挤木材细胞，使细胞间产生错位被撕裂开来，并随着刀具的不断推进，木材沿着刃口的轨迹继续被破坏而形成切屑的过程(参考文献16：任长清，杨春梅.微米木纤维切削形成机理初步研究[J].林业机械与木工设备,2005,33(2):23—24.)。在此过程中，主要包括以下几个方面：(1)表面微织构改变刀具温度场分布，温度场整体偏离远离切削刃，增大刀具传热面积，降低前刀面热集中，同时可以加快热量传递，起到降温效果。(2)表面微织构可以改变刀具应力场分布，减少刀具应力集中，避免崩刃，延长刀具使用寿命。(3)微结构纹理结构中有助于存储液态或固体石蜡、聚四氟乙烯、切削油、水性切削液等润滑助剂，避免木材中的石英砂、节子等硬质点与刀具直接摩擦，减缓了刀具磨损。(4)当微结构纹理结构预施加液态或固体石蜡、聚四氟乙烯、切削油、水性切削液等润滑助剂进行切削，前刀面加工表面织构有利于润滑剂存储，能够在刀具表面形成润滑膜，提高刀具的润滑效果，减少前刀面平均剪切强度，同时可以减少刀具和切屑实际接触面积，增大刀具散热面积，有利于缓解刀具磨损。通过以下综合作用，可有效缓解刀具磨损，减小切削时刀具表面摩擦系数。

为此，本发明实施例提出了一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具，其结构如图1、图2、图3所示的，包括刀具本体，所述刀具本体包括切削刃、前刀面和后刀面，且在所述前刀面靠近切削刃的位置设有微结构纹理。其中，所述微结构纹理由多个圆形凹坑或圆形凸体或平行凹槽或交叉网状凹槽组成。 其中，所述微结构纹理的圆形凹坑或圆形凸体直径在10～100μm,凹槽宽度在10～100μm，深度在10～60μm,圆形凹坑或圆形凸体阵列的中心距在50μm×50μm至200μm×200μm间，平行凹槽的中心距在50μm×50μm至200μm×200μm间。其中，所述微结构纹理结构中可以预施加液态或固体石蜡、聚四氟乙烯、切削油、水性切削液等润滑助剂。

另外，在上述实施例中，降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具还包括一储存刀具的盒子，所述盒子材料为铁，盒子的外表面喷涂抗腐蚀的涂层，该涂层包括粘结底层和抗氧化表面层。

粘结底层制备方法为：采用重量成分：镍3份，钼5份，铝8份，二氧化硅1份，氧化硼1份，钴2份，铬1份，钒1份的合金粉末，用市面上常见的等离子喷涂机(例如普莱克斯-7700型等离子喷涂机)喷涂，涂层厚度0.1mm。

抗氧化面层制备方法为：钼6份，铬5份，硅7份，铁3份，镍2份，铝1份，碳0.02份，磷0.01份，钴1份，二氧化硅2份，氧化铝1份，钇3份，钨2份，钒2份的合金粉末，用市面上常见的等离子喷涂机(例如普莱克斯-7700型等离子喷涂机)喷涂，涂层厚度0.2mm。

由于在盒子表面喷涂了抗腐蚀涂层，使得盒子具有强大的抗腐蚀、抗氧化、抗磨损和耐高温的能力，长期使用不会生锈，在恶劣的工作环境中保持稳定，实验表明，可以使用35年以上，涂层粘结强度为39兆帕，涂层的表面洛氏15N硬度为85。储存在里面的刀具不容易受到外界环境的影响，可以长期保持稳定性。

同时，本发明实施例还提出了一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具制造方法，包括：在木工刀具的前刀面靠近切削刃的位置上通过激光或微小磨粒喷射或微电子机械系统方法生成微结构纹理。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具，其特征在于，包括刀具本体，所述刀具本体包括前刀面和后刀面，且所述前刀面与后刀面之间形成倾斜的切削刃，且在所述前刀面靠近所述切削刃的位置设有微结构纹理；

所述微结构纹理为平行凹槽，且所述每一凹槽的宽度为10～100μm，深度在10～60μm，且所述平行凹槽的中心距在50μm至200μm间；

所述微结构纹理生成方法为，在木工刀具的前刀面靠近切削刃的位置上通过微小磨粒喷射或微电子机械系统方法生成；

所述微结构纹理上涂覆有润滑助剂；

还包括一储存刀具的盒子，所述盒子材料为铁，盒子的外表面喷涂抗腐 蚀的涂层，该涂层包括粘结底层和抗氧化表面层；

所述粘结底层制备方法为：采用镍3份，钼5份，铝8份，二氧化硅1 份，氧化硼1份，钴2份，铬1份，钒1份的合金粉末，用等离子喷涂机喷涂，涂层厚度0.1mm；

所述抗氧化表面层制备方法为：采用钼6份，铬5份，硅7份，铁3份，镍 2份，铝1份，碳0.02份，磷0.01份，钴1份，二氧化硅2份，氧化铝1份，钇3份，钨2份，钒2份的合金粉末，用等离子喷涂机喷涂，涂层厚度0.2mm。

2.根据权利要求1所述的降低木工刀具切削时摩擦系数的木工刀具，其特征在于，所述润滑助剂为液态或固体石蜡、聚四氟乙烯、切削油或水性切削液润滑助剂。