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中國木工刀具的分類、發展和方向研究
發布時間:2016-12-13

      

我國木工刀具經過多年發展,尤其是最近二、三十年,歐洲、臺灣等先進的木工機械的引入,木工刀具的種類大量增加,品質也大幅度提高。

木工刀具市場的發展,對木工刀具的研發和發展方向的研究提出了更高的要求。由于家具行業的戰略地位有限,我國木工刀具的生產多數尚屬企業行為,不僅規模有限,在標準建設方面也落后于金屬切削刀具太多,各商家多是執行自己的企業標準。近年來,由于各企業技術保密,所以眾多業內期刊或專業書籍中有關木工刀具研發的文章不是很多,尤其是從純技術角度對木工刀具的種類、特點、材料、發展趨勢等方面的研究文章較少。

本文作者憑借多年木工刀具生產的經驗,經過認真調研分析和查詢同類文章,撰寫本文,闡述了木工刀具的種類、特點、發展歷程、發展方向,愿以此與業內同行切磋。

1木工刀具的特點和分類

1.1總體特點

為了切削輕快和排屑方便,木工刀具前角都比較大;為了避免加工后的表面發黑燒焦,刀具后角也都較大;有的刀具如鉆頭,還專門設計了用于切斷纖維的刃口;部分刀具如銑刀,切削速度很高,其中如雕刻銑刀轉速往往達到每分鐘萬轉以上;回轉型刀具的齒數一般都

不多,目的是更好地容屑和便于排屑。木工刀具的加工對象是木材,但有時候也包括一

些合成材料,如強化木地板、塑料(特別是線路板等膠木)、樹脂材料等。根據加工對象的不同,可能會對刀具的一些具體技術指標有不同的要求。

1.2根據用途(使用場合)區分的木工刀具

1.2.1手工木工刀具類

常見的有手工鋸、手工推刨、鑿孔工具、手工雕刻刀具、鉆孔工具、砍削工具。

1.2.2木工鋸類

用于鋸切木料的刀具,有圓盤狀鋸片(又稱圓鋸)、條(帶)狀鋸片、還有鏈鋸和筒鋸等,其中以圓鋸和帶鋸最為常用。木工鋸加工表面一般較粗糙,僅用于下料和坯料加工。

1.2.3木工鉆頭類

木工鉆頭是用來加工通孔或盲孔的端部有刃口的桿狀或螺旋狀刀具。常見的有三尖鉆、支羅鉆、階梯鉆等。

整體式鉆頭:市面上常見的有

碳鋼鉆頭,價格相對較低,加工孔徑350mm,用于要求不高、低速的鉆孔工具或鉆孔機械;木工刀具論壇www.zjwoodtools.cn

高速鋼鉆頭,和碳鋼鉆頭類似,耐用度及價格高于碳鋼鉆頭,一般加工孔徑250mm硬質合金鉆頭,一般加工孔徑為5mm之內,多用于線路板鉆孔。

半整體硬質合金鉆頭:一般加工孔徑為520mm,采用整體硬質合金的頭部和鋼材桿、柄部焊接而成;分體式鉆頭:一般加工孔徑在20mm以上可將不同部位的硬質合金刀片焊接(或裝夾)在鉆頭基體上,然后磨削各部位刃口而成。

木工鉆頭與木工立銑刀(鑼刀)不同之處是木工鉆頭的側面無刃口,另外木工鉆頭除了有主切削刃外,還有中間的定位尖,外緣有尖的沉割刃,用以切斷木纖維,使孔的側面更平整,這也是木工鉆頭區別于普通麻花鉆頭最顯著的特點。

1.2.4 木工銑刀

木工銑刀的成型原理和金屬切削銑刀一樣,也是范成法的成型原理,由一個或多個刃口的回轉運動,配合工件(木料)的進給運動,切削掉多余材料,形成所需表面。成型形狀取決于刃口的回轉輪廓軸剖面形狀,而不是刀具每一個齒的實際形狀。

銑刀廣泛用于家具生產中加工平面、成形面、榫槽,雕刻等工作。除了前角比較大的特點外,和金屬切削銑刀相比,木工銑刀還具有較大的后角(可有效避免木料切削部位灼燒)、切削齒數較少(具有更大的容屑空間)、切削刃的長度和形狀跨度大(可一次完成較大余量的切削,從而一次成型)的特點。

木工銑刀根據安裝方式可分為柄安裝銑刀和孔安裝銑刀兩類。前者通常又稱為立銑刀、鑼刀,而后者又常常稱為臥銑刀、盤狀成形銑刀。木工刀具

1)立銑刀(鑼刀、鏤刀)、鉆銑合一刀(雕花刀、三面刃銑刀、雙刃銑刀、單刃銑刀)。

2)柱銑刀、盤狀成形銑刀。

1.2.5木工刨刀

本類刀具多為高速鋼整體式刀片,用在不同的木工機械中,如刨切機、旋切機、刮光和剪切機等。刨切較多用于低速度的線、面加工,刀片相對于工件一般作直線運動。除手工推刨外,一般用于刨切機切制木皮或薄木(一種優質的裝飾材料,多用于柜、門邊框的裝飾),刨削能夠避免鋸削木料消耗過大的問題。

旋切一般用于加工膠合板所用之單板,通過木料的旋轉和刀片的進給運動,將木料切制成帶狀單板。

剪切則常見于膠合板生產中單板的裁剪。

1.2.6其他專用木工刀具木工刀具論壇

規模化的生產往往催生各種專用機床,木材加工也一樣,一些專用機床的出現甚至會顛覆人們對于切削機床車、銑、刨、磨、鉆的傳統認識,在刀具上更是如此。例如榫孔加工機就需要專門的空心方鑿、帶鉆頭的空心方鑿、鏈式打眼刀和機用鑿子等。

1.3根據刀具結構區分

1.3.1整體式

整把刀具由同一種材料制成。這種結構多見于鋸條(片)、鉆頭、立銑刀、雕刻刀、刨刀,其特點是相對標準化生產,一般不使用昂貴材料制作大刀具,所以制造成本較低。

1.3.2刀片+刀體分體焊接式

一般采用硬質合金刀片(或者更高級的金剛石刀片)焊接于鋼質刀體上,這樣不僅能夠保證刀具具有較好的抗沖擊性能,也保證了刃口的高耐磨性,一般用于制作體積較大的刀具,如圓盤據、10mm以上的鉆頭和立銑刀、盤狀成型刀具如立軸機和四面刨上常用的地板刀、門框(板)刀、平口刀、切槽刀、修邊刀、木線刀、臺面刀以及單片指接刀。它們都是將初步具備形狀的刀片毛坯焊接在刀體上,然后在仿形磨床或工具磨床上利用靠磨刃磨出需要的形狀和刃口。木工刀具論壇 微信

1.3.3刀片可裝拆式(含可轉位式)也叫機夾式刀具。將高速鋼或硬質合金刀片利用夾

具安裝在刀體上,刀具磨損后可拆下刀片刃磨或更換刀片。這類刀具雖然使用相對靈活,刀體可重復使用,但是__刀具結構復雜,調整刀片也需要一定的技術水平,所以一般僅在一些專門機床上(如數控加工中心)上使用,而在普通的成型刀具的生產上,一般還是采用刀片+刀體分體焊接式較多。木工刀具論壇 www.zjwoodtools.cn

1.4根據刀刃材料區分

1.4.1碳鋼、合金工具鋼刀具整體碳(合金)鋼的特點是加工成本低,用作鋸條(片)、手工刀具等,是非常便宜的木工刀具;

1.4.2高速鋼刀具

高速鋼大部分也是制作整體式刀具。其刀具材料具有工藝性好,硬度大于碳(合金)鋼,韌性高于硬質合金的優點,可制作結構比較復雜的刀具,而且標準化生產時,價格相對便宜。

1.4.3硬質合金刀具

硬質合金硬度高,耐磨性好,但韌性差,價格貴,一般用于制作分體式銑刀、圓盤鋸、鉆頭。伴隨著現代木工機械切削速度越來越高的要求,也有采用整體式硬質合金的,但一般都僅限于尺寸較小的鉆頭、立銑刀等。

1.4.4其他超硬材料刀具

作為新型材料刀具,金剛石或立方碳化硼刀具已經開始在強化木地板、復合材料切削加工以及對加工精度要求較高且穩定性要求很好的場合占據越來越大的市場份額。

2木工刀具的發展歷程

木工刀具已由手工加工階段,經由機械加工階段發展到自動控制加工階段,到2007年左右,國外木工機械產品品種的90%已經數控化,遺憾的是我國這個比例尚不足10%

在每年的木工機械展銷會上,一些智能化、專業化的木材加工機械的演示令人嘆為觀止,吸引了眾多的參觀者。特別是在一些智能化的雕刻機的演示中,能明顯看到刀具的互換性對刀具加工的標準化所提出的要求,在對不同部位的雕刻中,又能看到對刀具綜合功能的需求。但是令人遺憾的是,這些機械大多數是進口的,而其使用的刀具也是原配的或者至少是進口的。即便是偶爾看到國產的自動控制木工機械,上面安裝的也多是進口刀具。

3我國木工刀具生產的現狀木工刀具論壇 微信號

我國木工刀具行業的發展相對滯后,至今仍然沒有擺脫高端木工刀具大量依賴進口這一尷尬局面。據有關資料介紹,2010年我國各類刀具銷售總額(進口的和國產的)為330億元,居世界第一,而且這個數字還在以每年40%以上的速度增加,但是,上述銷售額里130億元的高端刀具中,有110億元是進口刀具帶來的。不過正因如此,我國木工刀具制造行業存在著巨大的商機。

3.1我國木工刀具生產的區域特點

哈量集團為代表的哈爾濱刃具制造企業曾經占據了我國金屬切削刀具的半壁江山,在木工刀具的生產上也成為我國老牌的木工刀具生產基地,在相對標準化的木工鋸、鉆頭、銑刀、刀片等方面占據一定優勢地位。但也正因為其,在新技術引進、產品更新換代、滿足客戶個性化需求等方面的反應速度不是很理想。

珠三角特別是深圳、東莞、順德的木工刀具生產形成規模是在1994年以后。由于廣式家具的熱銷,珠三角的木材加工企業迅速發展,以家具、線材、門板、地板生產設備為主的木工機械給木工刀具提供了巨大的市場,短短幾年就催生了數十家專業生產木工刀具的企業。他

們引進國外和中國臺灣省技術,先是給各種經典進口木工機械(立軸機、四面刨、木工銑床)做配套,生產盤狀成形銑刀、立銑刀(鑼刀)為主。后來順德木工機械國產化形成規模后,大量做低端木工刀具的企業逐漸集中到順德一帶,少量定位在高端刀具的企業留在深圳。總體來說,珠三角的木工刀具企業具有規模小、反應快、個性化定制、技術含量低、非標準木工刀具為主的特點。以當初的深圳利威木工刀具有限公司為例,早在1993年就推出了定制任何形狀的立軸機、四面刨用刀,保證一星期交貨的承諾,這在一些老牌的國營刀具企業看來是不可想象的。木工刀具論壇 微信號

山東青島一帶的木工刀具企業發展情況與順德類似,起步時間略晚于順德。主要也是依托周邊大量的木工機械制造商而形成木工刀具市場。

近些年,隨著家具制造業內遷程度加大,木工刀具制造業也出現了全國遍地開花的現象。

值得注意的是,在國內企業看到商機的同時,眾多國際著名企業紛紛進軍中國木工機械和木工刀具市場。1977年,最大的木工刀具制造商,號稱刀具王國的德國藍幟集團入駐南京,建立了藍幟(南京)工具有限公司。在其帶動下,美、日、意、德、中國臺灣省眾多企業也把自己的加工基地全部或部分搬到中國大陸。到2010年后,中國木工刀具生產行業的競爭達到白熱化

3.2我國木工刀具材料現狀木工刀具論壇 微信號

除了手工刀具、木工鋸等木工刀具外,工具鋼作為刃具材料已經在世界上淘汰,我國也一樣。目前,我國的木工刀具材料正處在由高速鋼向硬質合金過渡的階段,超硬材料、涂層技術等也伴隨著國際先進刀具企業的進入而落地。一般的小型木工刀具企業在生產盤狀成形銑刀時,都采用了硬質合金分體焊接式結構,而部分廠家在生產強化木地板的地板刀時,甚至以金剛石刀片為主推產品。和盧森堡、瑞典等國優質硬質合金相比,國產的硬質合金刀具材料不盡如人意。事實上,國產硬質合金在木工刀具中的市場占有率遠低于進口硬質合金,盡管進口的在價格上要高出一倍。

但是不少國內硬質合金生產商也在奮起直追加大科技投入,比如株洲某公司生產的納米硬質合金韌性和強度兩項指標就得到了較大幅度的提高,已經達到國際先進水平。相信,在不遠的將來,作為硬質合金原材料生產第一大國的中國,在硬質合金刀片生產上也會成為世界強國。木工刀具論壇 微信號

3.3我國木工刀具生產的一般工藝過程

3.3.1整體式木工刀具

整體式木工刀具主要由大型的金屬切削刀具企業生產,由于刀具相對標準化,其生產工藝相對成熟,這里不做描述。

3.3.2分體(焊接)式木工刀具

這類刀具,多為定制產品,缺少統一標準,單件小批生產。大型企業往往不太愿意生產這種刀具,小型木工刀具生產商則以此為主要利益來源。其中以成形銑刀(立銑或臥銑)最多。

無論是立銑刀(鏤刀)或臥銑刀(盤狀成形銑刀),其生產工藝過程都大致如下:

1)刀體下料(鋸切圓鋼或根據形狀要求鍛造毛坯);刀片下料,一般用線切割機切割刀片和仿形磨床上用的靠磨;木工刀具論壇 微信

2)車削刀體各部位直徑尺寸及長度(按刃口回轉直徑和形狀收縮13mm);

3)銑削刀體容屑槽(也就是磨削刃口時需要的砂輪越程槽);

4)銑削刀體上的焊刀片位。某些刀具不需要專門的焊刀位,可免;

5)清理刀體毛刺,矯正薄弱部分的變形,有條件的還要進行薄弱部位的熱處理以提高強度;噴砂處理刀片污漬;刀體、刀片、焊劑脫脂;

6)焊接刀片(具備條件的采用激光焊、高頻焊,無條件的小廠一般采用手工氧焊,但無論何種焊接方式,一定要有保溫措施,確保緩慢冷卻,避免出現大的內應力甚至裂紋);

7)清理焊渣和清潔刀具;

8)用工具磨床粗磨前刀面;

9)利用仿形磨床刃磨后刀面,形成需要的刃口形狀,可視情況決定是否需要分粗、精磨;

10)檢驗及返修。含刃口形狀檢驗、動靜平衡檢驗、組合刀具的組合調整;

11)用工具磨床精磨前刀面;

12)封刃口、油漆、配木樣入庫。

3.3.3刀片可裝拆式木工刀具

由于刀片是可拆卸的,所以主要是刀體的制造,其生產和一般的機械零件加工無異,只是同樣要注意動平衡的問題。

3.4我國木工刀具生產的水平及問題木工刀具論壇 

國產的木工刀具較發達國家而言還有較大差距,從市場份額上看,我國消耗著全球40%的高速鋼和硬質合金材料,卻只實現了15%的產值。我國木工刀具產量和日本大體相當,但產值卻只相當于日本的三分之一。技術差距主要體現在:刀具生產的技術指標還遠低于國際水平,精度指標一般要低23個精度等級,耐磨性只相當于國際標準的3050%;品種規格少,特大型鋸片、大型刀片(三米以上)、可調木工銑刀、可調式鋸片、減震消音鋸片、液壓套筒銑刀、陶瓷刀片尚屬空白,金剛石刀片的生產雖然前景很好,但目前整體質量和后期加工水平還有限;國產刀具的外觀、外形、防銹方面和進口刀具還有明顯區別;焊接質量不穩定,偶有刀片脫落導致人員傷亡。

造成這種現象的原因有:

由于起步晚,跟風現象重,管理落后。

專業程度低,目前國內木工刀具企業有1000多家,但專門做刀具的不足100家,其市場份額低于刀具總銷售額的10%,散、小、專業水平低的特點非常明顯。

技術落后,技術革新、技術引進投資不足,導致低端市場價格惡性競爭。

由于我國缺乏對于木工刀具質量的強制性規定,加之動平衡檢測設備價格高昂,眾多中小企業用靜平衡代替動平衡,導致刀具的運轉精度和穩定性差,噪音大、使__用安全性也低,由木工刀具引發的安全事故時有發生。

刀具原材料質量不高,以WC-Co硬質合金為例,國外量產的合金晶粒已經達到0.2μm,美國采用噴霧轉換工藝的硬質合金晶粒在實驗室中甚至達到2040nm,而國產硬質合金的晶粒僅為0.6μm左右,至于0.2μm的晶粒只有株洲硬質合金有限公司和上海材料研究所等

少數單位在實驗中能夠達到,尚不能量產。眾多刀具企業在價格惡性競爭環境下,只能大量使用價格相對低廉的國產合金生產低端刀具,市場競爭力可想而知。刀體材料方面,大多數刀體未經熱處理強化。木工刀具論壇

4木工刀具的發展方向

4.1國家支持與標準化建設

拓寬刀具品種、類別,開發高端木工刀具及其木工機械,加強刀具標準化建設,提高國際標準的覆蓋范圍并向國際標準靠攏從而提高國際競爭力是我國木工刀具業的發展方向。比如自動化木工銑鉆設備大量采用的刀具液壓快速裝夾機構,就對刀具的尺寸、形狀精度有非常嚴格的要求。即便目前我國高端木工機械一時還不能和國外先進水平競爭,那么注重進口機械的配套刀具研發,降低進口機械的使用成本,也是刀具行業一個很好的努力方向。國家應有計劃扶持競爭力強、科技水平高、有技術開發能力的優秀企業,鼓勵參與國際競爭并引領國內行業發展。現代木工設備往往轉速極高,一般達到3 0 0 012000r/min以上,國家應強制性規定此種設備配套刀具必需經過動平衡測試,并應達到ISO19401劃定的G4.0平衡質量等級以上要求,同時還要對刀片的裝夾或焊接出臺嚴格的國家標準,以保護勞動者的生命安全。

4.2加強高端刀具材料的研發

高速、高效、高精度、高強度、高硬度、高耐磨性是木工刀具材料的永恒追求。未來幾年內,在株洲硬質合金有限公司和上海材料研究所等科研院所依照國家863計劃研制出的超細晶、納米晶基礎上,我國高質量硬質合金特別是納米級硬質合金有望量產并達到國際先進水平。

1為各種刀具所合適加工的工件材料。

1反映,聚晶金剛石(PCD)雖然不適合加工鋼材,卻無疑是木材及非金屬、有色金屬加工最理想、最具發展前途的刀具材料。事實上,我國在人造金剛石的生產上處于國際領先地位,目前我國金剛石總產量占全世界的90%95%,已達150億克拉左右/年。而且是低碳環保型產業,無污染,能耗低。木工刀具論壇 

雖然我國金剛石顆粒的價格已經很便宜,但是用作刀片的聚晶金剛石復合片仍然存在內部結構不緊密、不均勻,以至造成整個聚晶/復合片工作不穩定的問題,金剛石刀具對于焊接的要求也很高,一般應采用激光焊,至少也要采用高頻感應釬焊。

不過,近年發展迅速的金剛石涂層刀片也許可以有效彌補聚晶金剛石復合刀片的這些局限。國外的優質刀具采用涂層技術的已經占到80%左右。目前刀具的主要涂層材料為TiNTiC,由于人造金剛石粉末價格的快速下降,現在采用CVD金剛石涂層刀具用作非金屬和有色金屬切削的發展勢頭已非常強勁。

隨著金剛石復合片技術和金剛石涂層技術的提升,配以我國強勁的生產能力,聚晶金剛石復合刀片和金剛石涂層刀片全面取代硬質合金,成為主要的木工刀具材料應該很快就會變成現實。木工刀具論壇 www.zjwoodtools.cn

至于立方氮化硼 (CBN)、陶瓷等刀具材料,由于價格上較金剛石并沒有優勢,在木工刀具上沒有過多研究的必要。

4.3提升刀具綜合性能

將來成功的木工刀具企業,其產品必然是在耐磨性高的前提下,同時達到足夠的整體剛度、強度、尺寸和形狀精度,具備良好的焊接質量(焊縫既薄且均勻),滿足動平衡指標,運轉噪音低,安全性高并且整體外觀漂亮等。

對于相對標準化的刀具,如鉆頭、立銑刀、單片指接刀,企業引進專用設備,提高自動控制比例,形成成熟的符合批量生產特點的生產工藝,對提高產品質量,降低生產成本有重要的意義。

另外,提升木工刀具的檢測手段和檢測效率也是高品質木工刀具生產的重要因素,必須有專業的木工刀具檢測系統。在這方面,北京領邦儀器技術有限公司研制的硬質合金刀片自動檢測設備就是一種突破,該設備主要采用非接觸式測量方式,快速檢測硬質合金刀片的

尺寸公差、形位公差等,包括厚度、厚度差、長度、寬度、平彎變形、側彎變形等指標,效率可達每秒一個。另外,專業的硬質合金焊接超聲波無損探傷設備也是所有專業木工刀具企業必備的檢測設備之一。

4.4注重市場需求木工刀具論壇 

市場對木工刀具產品的需求永遠都是廉價、優質、耐用、供貨及時,但具體到特定的產品,顧客往往會各有側重。

一方面,國家應加強標準建設,促進鉆頭、立銑刀、單片指接刀的刀具的標準化、精細化、耐用化、批量化,形成國家標準或行業標準。這將很大程度避免重復投資,對降低刀具的市場價格有重大意義。另一方面,尊重市場的個性化需求,如一些個性化木藝可能需要各種非標的木工刀具,對于此類顧客,他們更關心的可能是定制刀具的供貨速度;某些刀具使用頻率和加工精度要求不高,那么其對刀具的耐用度、精度等指標可能就沒有過高要求,這也就給部分定位于低端刀具的商家留下了一定的生存空間。木工

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