曹平祥
(南京林业大学木材工业学院，南京 210037)
1 概述
强化木地板为俗称，其学名为浸渍纸层压木质地板。它是以浸渍热固性氨基树脂的耐磨纸和木纹纸及平衡纸分别铺装在刨花板、中密度纤维板、高密度纤维板等人造板基材表面及背面，经热压、分片和加工企口而成的地板。耐磨纸是决定强化木地板寿命的关键，它具有高耐磨性能、高透明度及优异的物理力学性能。耐磨纸的耐磨性能通常以每m2的三氧化二铝的重量来衡量，通常为46k/m2和62
k/m2等，它将造成刀具的快速磨损。因而，在设计强化地板的切削刀具时，必须考虑到耐磨纸。此外，树脂浸渍的装饰木纹纸及平衡纸在切削加工过程中容易发生崩边，要求刀具刃口保持足够的锋利度。强化地板基材对刀具造成的磨损相对较小，通常加工基材的金刚石刀具能达到100万m切削长度，而切削耐磨层的精修刀，每个切削点只能维持6000～10000m切削长度。
强化木地板生产流程中，有两道工序为切削加工的：一是大板分片，二是企口加工。大板分片最简单的方法是采用推台锯，但效率及精度均较低。目前，主要采用多片锯生产线：真空吸盘大板自动上料纵向定宽分片横向转向输送横向定长截断出料输送真空吸盘自动叠跺。企口加工的设备有纵向四面刨＋横向双端铣的生产线和纵向双端铣＋横向双端铣的生产线，目前，多采用后者，即：真空吸盘自动上料纵向双端铣转向输送横向双端铣出料输送真空吸盘自动叠跺或自动包装线。
强化地板企口有平口和锁扣两种廓形。现在，绝大多数采用锁扣廓形。锁扣廓形有不同的结构类型。根据不同的锁扣结构及加工设备，需要采用不同的刀具配置方案。现多采用刀具配置方案为：预切倒角精修锁扣成形。
强化地板表面抗刮伤、抗磨损是通过均匀分布在耐磨纸内的Al2O3来实现的。Al2O3的硬度仅次于立方氮化硼（CBN）和金刚石（PCD），目前只能用金刚石刀具来加工。
耐磨层厚约0.15mm，它会造成刀具刃口快速凹洼磨损。刀具设计时，需要考虑单位平方米地板的刀具成本，因此加工耐磨层的刀具如预切刀具、倒角刀及精修刀，除了具有合理的角度外，还应具有多个切削点。此外，强化地板金刚石刀具还应满足以下几点：
1)
中心孔配合精度高，刀齿径向、端向跳动小；
2) 运转时的不平衡度低；
3)
金钢石层和硬质合金（基体）有足够的结合强度，及足够的强度和韧性；
4) 具有足够的耐用度；
5) 榫头和榫槽配合可调，调节精度高；
6)
刀具结构合理，易于排屑除尘。
2 金刚石圆锯片
国内生产强化地板用的大板多为4×8（英尺），经多片锯生产线，裁切成一定长度及宽度的小板。为了提高设备的利用效率、改善锯切质量和降低刀具成本，现多采用金刚石圆锯片。金刚石圆锯片的规格及角度参数为：φ250×3.2/2.2×100，齿数为Z36，齿形为平齿（FZ），前角为3°，后角为10°，前齿面内凹角为0.4°，后齿面内凹角为6°。
金刚石圆锯片一般不是以法兰盘装夹，而是用任意定位的液压夹紧轴套装夹的。液压夹紧套的内部有一空腔，如图1所示，充满了液压油。施压时，液压轴套内壁膨胀，均匀地包紧锯轴，完全消除了圆锯片内孔和锯轴的配合间隙，保证了圆锯片的回转中心和锯轴旋转轴线一致，减小了刀齿的径向跳动，保证所有刀齿均衡参加切削。
这样的圆锯片系统具有如下特点：
1） 降低锯轴部件重量；锯轴不平衡度降低，延长轴承使用寿命；
2）
降低切削平面以下材料的破坏不平度和运动波纹，减少崩边，提高了工件表面的加工质量;
3） 空载和负载噪声都降低；
4）
夹紧精度的重复性很高，安全可靠。
5） 和垫片、法兰盘装夹方法相比，装拆时间缩短90%；
6）不依靠垫片调节圆锯片之间的距离，板宽调节时间大大缩短。
针对锁扣地板的分片裁切，采用上、下错位的两组圆锯片完成裁板，如图2所示。采用这样的裁板方式，大约提高了大板的利用效率3％。
3 刀具配置
根据不同的设备及锁扣形状，刀具的配置是不同的。即使同种设备及锁扣形状，也有不同的刀具配置方案。刀具配置方案直接影响到强化地板的切削质量、形位公差及刀具单位成本。在设计刀具配置方案时，应该注意下列几点：
1）分析切削对象的材料特性；
2）切削质量要求，含表面粗糙度、形位公差要求；
①预切刀每齿进给量控制在0.3~0.4mm；②倒角刀、精修刀每齿进给量控制在0.2~0.3mm；③成形刀每齿进给量控制在
0.8~1.2mm；④锁扣刀每齿进给量控制在 0.6~1.0mm。
3）研究设备信息，含刀轴转速、刀轴尺寸及位置、进给速度、刀具装夹和切削方式等；
4）分析强化地板锁扣形状，合理分配各工位刀具功能及刀轴倾斜角度；
5）选择切削方式（圆柱铣削、锥度铣削及端面铣削）及切削方向（顺铣或逆铣）；
6）合理分配左、右两侧的切削量，尽量使两侧切削力达到均衡；
7）合理选择刀具结构，降低噪声及利于排屑；
8）完成刀具设计计算，得出刀具尺寸、角度和齿数等技术参数。
下面以图3的锁扣形状、纵向进给速度为80m/min的双端铣开榫生产线为例分析刀具的配置方案。强化地板的纵、横两向的锁扣形状存在差异，图3（a）为纵向锁扣形状，采用旋转安装；图3（b）为横向锁扣形状，采用垂直压入安装，其间有一弹性塑料卡片。纵向锁扣廓形的锁扣面垂直于地板表面，即锁扣面为90°；横向锁扣廓形的锁扣面不垂直于地板表面，锁扣面为70°。此外，横向锁扣廓形没有榫头，只有榫槽，是通过弹性卡片及锁扣面实现连接的，弹性卡片取代榫的功能。
图3锁扣廓形
依据图3锁扣地板廓形及设备进给速度，进行刀具配置，具体配置如下：
1）纵向双端铣，进给速度U=80m/min，刀轴转速n=6000r/min。
①刀轴1――预切铣刀
当切削高密度纤维板时，切削速度需要达到v=80m/s，则刀具外径为：
根据计算刀具切削直径为φ255mm，习惯取φ250mm。
预切刀主要切削耐磨层，要求每齿进给量Uz=0.3~0.4mm/z，取0.4mm/z，则刀具齿数Z为：
根据计算，刀具齿数为33齿，习惯取36齿，并且是长、短齿交错配置，即短齿为24个，刀刃长度为8mm，长齿12个，刀刃长度为15mm。刀刃长度越长，切削点调节的个数就越多。
根据计算及应用特点，预切铣刀的参数如下：
φ250x8/15x40，Z24 12；前角10°，后角13°。
②刀轴2――倒角铣刀
倒角铣刀切削耐磨层，要求每齿进给量Uz=0.2~0.3mm/z，取0.3mm/z，则刀具齿数Z为：
根据计算及应用特点，倒角铣刀的参数如下：
φ250×8×40，Z44；前角10°，后角13°。生产单位也有采用36齿的倒角铣刀。
③刀轴3――精修铣刀
若加工倒角地板，则精修刀没有切削耐磨层；若加工无缝直角地板，倒角刀不参与切削，精修刀需要切削耐磨层。因此，倒角刀需要布置在精修刀之前，以节省刀具成本。精修刀的参数与倒角刀相同，即φ250×8×40，Z44；前角10°，后角13°。因精修刀上侧刃参与切削，需要斜磨，斜磨角4°左右，以减少侧刃后刀面的摩擦。
④刀轴4――成形铣刀
为了确保强化地板切削加工的形位公差，要求精修刀与锁扣刀处在相邻的两个工位。但图3（a）纵向锁扣廓形的锁扣面垂直于地板表面，即锁扣面为90°，锁扣刀轴需要水平布置。如果锁扣刀在成形刀之前，锁扣刀两侧刃都需要参与切削，均需要斜磨，必须采用组合的锁扣铣刀，增加了刀具成本。为此，将成形铣刀放在锁扣刀之前。
成形铣刀切削基材，要求每齿进给量Uz=0.8~1.2mm/z，取1.2mm/z，则刀具齿数Z为：
根据计算，刀具齿数为11齿，习惯取10齿或12齿。因成形铣刀的两侧刃需要参与切削、两侧刃与刀具回转轴线垂直，且需要调节榫头、榫槽配合松紧度，因此，成形铣刀两侧刃需要斜磨，且设计成两片组装的铣刀。
根据计算及应用特点，成形铣刀的参数如下：
φ250×40，Z10＋Z10；前角10°，后角13°。
⑤刀轴5――锁扣铣刀
锁扣铣刀切削基材和平衡层，要求每齿进给量Uz=0.6~1.0mm/z，取1.0mm/z，则刀具齿数Z为：
根据计算，刀具齿数为13齿，习惯取12齿或14齿。因锁扣铣刀的一侧刃需要参与切削、且与刀具回转轴线垂直，需要斜磨，斜磨角为4°。
根据计算及应用特点，锁扣铣刀的参数如下：
φ250x40，Z14；前角10°，后角13°。
2）横向双端铣，进给速度U=32m/min，刀轴转速n=6000r/min。
类似于纵向双端铣的刀具配置计算及应用分析，可以得出图5所示的刀具配置方案。
4 刀具结构要求
4.1 预切铣刀
预切铣刀主要切削耐磨层，铣削深度较大，产生较多的切屑，切屑中Al2O3粉尘像砂轮上的磨料一样，磨削双端铣的下支撑板、上压靴和链条盖板。因此，在刀体结构上要充分考虑排屑除尘问题。主要采用如下设计，改进排屑除尘效果：
1）刀体上增加圆盘防护板，阻挡切屑；
2）刀体上加工导屑槽，引导切屑向吸尘口运动；
3）采用逆铣切削方式，利于切屑排除；
预切铣刀不仅要切削耐磨层，还要切削基材。切削耐磨层的刃口处，很快磨损变钝，但切削基材处的刃口仍然锋利，因此，要求预切铣刀能调节切削点，可调节的切削点数量越多，刀具耐用度就越高。在刀刃长度方向，有一部分刀刃只切削基材，其余部分刀刃是用来调节切削点的。因此，预切铣刀刀齿有长、短齿配置。长齿既切削耐磨层也切削基材；短齿只切削耐磨层，长齿与短齿的比例一般为2:1。
为了避免刀具垂直放置时，刀齿刃尖碰到地面，造成崩齿，刀体端面凸出刀齿1mm左右。因预切铣刀是倾斜安装的，为了便于安装，刀体需要配置圆盘抓手。
4.2 倒角铣刀
倒角铣刀也是倾斜安装，主要切削耐磨层，铣削深度为0.3~0.5mm，是对耐磨层进行精加工的，同时形成倒角。刀齿长度方向为单一长度，要满足调节切削点的要求。可调节的切削点数量越多，刀具耐用度就越高。其结构可以参考预切铣刀。
4.3 精修铣刀
精修铣刀是垂直安装的，主要切削耐磨层，铣削深度为0.3~0.5mm。在高效排屑及防护方面的结构可以参考预切铣刀。锁扣廓形的榫槽和榫头的精修刀在调节切削点时，移动范围受到了限制，单片刀只有6-8个切削点。为了降低刀具成本，建议采用图6所示的两层或三层精修刀。两把或三把刀具共用一个液压轴套，在不换刀的情况下，增加切削点，提高刀具的耐用度。
4.4 成形铣刀
成形铣刀通常是垂直安装的，也有倾斜安装的（见图4，左刀轴4），切削基材。铣削深度随地板廓形深度而定。图4左刀轴4倾斜安装的原因是榫槽底部材料只有通过这把倾斜的成形刀来加工。
成形铣刀为两片组装的组合铣刀，安装在一个液压夹紧轴套上。它能方便调节各片刀具之间轴向距离，以满足地板的廓形配合要求。液压夹紧轴套具有两个施压螺钉，其一施压轴套内壁，其二加压轴套外壁，分别将轴套和刀体张紧在刀轴和轴套上，消除两两的配合间隙，并达到锁紧刀具的目的。液压轴套端部具有细牙螺纹，与之相旋合的调刀罗盘能调节一把刀具的上下位置。调刀罗盘的刻度为0.01mm，调节精度高。
4.5 锁扣铣刀
纵向双端铣的锁扣铣刀是水平安装的，横向双端铣的锁扣刀是倾斜安装的，切削平衡纸及基材，铣削深度随地板廓形深度而定。由于在刀具上方，有双端铣上压靴，并保证刀齿尽量靠近上压靴，锁扣铣刀刀体需要设计成碟形。在高效排屑及防护方面的结构可以参考预切铣刀。
5 刀具使用与维护
强化地板的刀具都采用聚晶金刚石（PCD）复合刀片来制造。聚晶金刚石复合刀片是由作为表层的一定粒度的金刚石微细颗粒与作为基体的硬质合金在高温高压下烧结而成的复合体。因金刚石复合刀片把金刚石的高硬度和耐磨性同硬质合金的高强度和韧性结合起来，因此获得极优良的综合性能。在金刚石复合刀片烧结过程中，需要添加导电的金属粘结剂，因此，金刚石复合刀片可以采用电腐蚀方法加工。金刚石刀具的使用与维护应该注意下列事项：
（1）金刚石复合刀片针对不同切削对象，具有不同的牌号。牌号不同，金刚石颗粒大小及粘结剂含量不一样，其韧性及耐磨性也不一样；
（2）刀具在切削过程中，其前、后刀面黏附了强化地板中的树脂，需要定期采用超声波清洗设备清洁刀具；
（3）需要专业的电腐蚀设备修磨金刚石刀具；
（4）金刚石刃口磨损变钝之后，是修磨后刀面的。为了防止后刀面的刀体碰到切削平面，一定要定期修磨刀体；
（5）金刚石刀具与其相配的液压轴套为一体，需要一起发往专业的修磨中心；
（6）刀具修磨后，需要检查动平衡；
（7）刀具修磨后，需要在专用的投影仪上，检测刀刃的锋利度、径向跳动及端向跳动；
（8）成形铣刀、锁扣铣刀在修磨后，需要在专用投影仪上检测廓形的准确性。
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