1．引言
　　
　　近年來，現(xiàn)代化木材加工工業(yè)發(fā)展迅猛，木質(zhì)復(fù)合材料的加工因此得到了的高速發(fā)展。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人造板工業(yè)得到了越來越多的發(fā)展空間。其中最主要的產(chǎn)品是中密度纖維板（MDF），我國(guó)目前是亞洲產(chǎn)量最大的國(guó)家。2001年強(qiáng)化木地板實(shí)際產(chǎn)量已增至6000萬m2，如此大量增長(zhǎng)的需求對(duì)切削加工工具提出了新的要求。目前在切削人造板等木質(zhì)復(fù)合材料時(shí)使用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金的耐磨性、耐熱性和硬度很高。但由于木材本身具有很高的各向異性結(jié)構(gòu)，使得與刀具的摩擦系數(shù)很大，而且木質(zhì)復(fù)合材料本身既含有造成刀具機(jī)械擦傷的硬質(zhì)點(diǎn)（某些人造板表面還有難以加工的硬質(zhì)涂層），又有引發(fā)刀具發(fā)生化學(xué)腐蝕的酸性介質(zhì)，這些都會(huì)加劇刀具磨損和腐蝕，不僅大大縮短了使用壽命，而且嚴(yán)重降低了產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而影響了產(chǎn)品的加工成本和生產(chǎn)效率。現(xiàn)有的硬質(zhì)合金刀具在耐磨和耐腐蝕性方面已經(jīng)不能滿足要求，為了達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，市場(chǎng)迫切需要高性能的、高質(zhì)量的木工加工刀具。
　　
　　我國(guó)現(xiàn)階段不僅在木工刀具研究理論上還很貧乏，而且在其生產(chǎn)上更是非常落后，因此了解和掌握目前國(guó)內(nèi)外木工刀具的發(fā)展?fàn)顩r和研究進(jìn)展有著重要的意義。
　　
　　2．磨損機(jī)理
　　
　　2.1 機(jī)械擦傷磨損
　　
　　由于木質(zhì)復(fù)合材料所具有的特殊的不同于金屬材料的組成結(jié)構(gòu)，因此對(duì)刀具在加工中的磨損機(jī)理要有特殊的研究，這對(duì)于刀具的材料選擇和幾何參數(shù)的選用等都是很有必要的。木工刀具的磨損主要分為兩類：機(jī)械擦傷磨損和腐蝕磨損。
　　
　　機(jī)械擦傷磨損由木質(zhì)復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒或凸出物使刀具材料遷移所造成。細(xì)胞壁、樹脂、礦物質(zhì)（如石英砂等）、節(jié)子、膠合材料等，都可能成為機(jī)械擦傷磨損的硬質(zhì)點(diǎn)。通常認(rèn)為：機(jī)械擦傷磨損是磨料在刀具表面滑過，產(chǎn)生擦傷或微切削，結(jié)果在刀具表面形成擦痕或犁溝的過程。判斷機(jī)械擦傷是否為刀具的主要磨損機(jī)理，除了考慮刀具材料特性，還要考慮工件的化學(xué)性質(zhì)和含水率。若工件含水率高，酸性較強(qiáng)，則刀具磨損往往還有另外不可忽略的原因——腐蝕磨損。
　　
　　2.2 腐蝕磨損
　　
　　硬質(zhì)合金刀片在切削某些木質(zhì)材料時(shí)易生成揮發(fā)的氯化物。硬質(zhì)合金刀具中的鈷元素會(huì)被有機(jī)弱酸中的氫離子奪去電子形成金屬離子，然后多元酚化合物會(huì)與離子發(fā)生鰲合反應(yīng)，生成疏松的鰲合物。可見，有機(jī)弱酸和多元酚化合物對(duì)刀具材料的腐蝕是逐步進(jìn)行的，最后生成金屬鰲合物覆蓋在刀具表面。對(duì)于硬質(zhì)合金刀具，鈷是不可缺少的粘結(jié)相，一旦鈷被腐蝕，生成的鰲合物在機(jī)械擦傷磨損作用下很快被磨耗，造成刀具材料被嚴(yán)重磨損。另外，電化學(xué)腐蝕也是造成刀具磨損的重要原因。因此，刀具的磨損其實(shí)質(zhì)是刀具與工件材料發(fā)生機(jī)械、熱和電化學(xué)腐蝕的綜合作用，是使刀具前后面的金屬材料不斷損失的過程。對(duì)幾種典型刀具來說，金剛石薄膜的磨耗機(jī)理是“磨損變形—裂紋—磨屑形成”。高速鋼刀片以磨料磨損為主，腐蝕磨損為輔。粘結(jié)劑（鈷元素）喪失是硬質(zhì)合金刀片磨損的根本原因，因此腐蝕磨損是硬質(zhì)合金刀片的主要磨損機(jī)理。
　　
　　3．國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展方向
　　近年來，隨著一些新材料的使用，木工刀具走向了多元化的發(fā)展。這些新材料在某些力學(xué)、物理性能方面具有傳統(tǒng)材料難以比擬的優(yōu)勢(shì)。
　　
　　在木材加工這一行業(yè)，最早使用的刀具是高速鋼，隨著硬質(zhì)合金與金剛石等超硬材料的使用，木工刀具的發(fā)展日漸成熟。涂層處理毫無疑問是當(dāng)今研究和開發(fā)最多的技術(shù)。美國(guó)、德國(guó)、波蘭等國(guó)家在這方面的研究很多，主要是針對(duì)涂層結(jié)合力、磨損機(jī)理、涂層材料性能比較等等。多層涂層、多元復(fù)合涂層以及金剛石涂層、CBN、CN涂層將是未來刀具涂層的發(fā)展方向。另外，PCD刀具的應(yīng)用也非常多。德國(guó)的藍(lán)幟（Leitz）公司是世界生產(chǎn)木工刀具最有名的公司之一，他們已經(jīng)研究出比PCD刀具耐磨性還要高數(shù)十倍的MCD單晶金剛石刀具。
　　
　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)木材加工刀具的研究都很重視，隨著高效率、高環(huán)保意識(shí)的深入人心，木材加工這一傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)被賦予了新的發(fā)展方向，那就是在刀具磨損機(jī)理的研究、刀具幾何參數(shù)的計(jì)算優(yōu)化以及表面處理等方面開拓新的前景，特別在刀具表面處理方面，國(guó)外已經(jīng)有不少文章發(fā)表，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有部分專家在木工刀具的理論方面做了大量的研究，比如南京林業(yè)大學(xué)的曹平祥教授就在木工刀具的磨損和金剛石膜刀具的研究方面取得了不小的成績(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也在刀具磨損和PCD木工刀具等方面做了不少的研究。
　　
　　4．研究動(dòng)態(tài)
　　
　　4.1 涂層技術(shù)
　　
　　涂層是一種適于木工刀具處理的新技術(shù)，通常是在硬質(zhì)合金表面涂覆一層耐磨的TiC、TiN、TiCN3等材料。目前主要的涂覆方法有化學(xué)氣相沉積涂層（CVD）和物理氣相沉積涂層（PVD）。未涂層的硬質(zhì)合金材料，其刀具耐熱性和耐磨性低于硬質(zhì)相本身，而表面涂層硬質(zhì)合金刀具的表面硬度和耐磨性，則幾乎完全反映了涂層材料的性能。由于涂層普遍具有較硬質(zhì)合金高的硬度（如用CVD涂覆TiC，硬度達(dá)到HV3800），而且保持了基體材料耐沖擊的性能。在木工加工防腐蝕方面，由于涂層的存在使硬質(zhì)合金在加工中“脫鈷”的現(xiàn)象得到了較好的控制，因此涂層處理能較好地提高刀具的使用壽命。
　　
　　波蘭科研人員PBeer等研究指出：刀具涂層和原木的摩擦系數(shù)仍然相對(duì)較高，這就對(duì)涂層的結(jié)合力提出了更高的要求。結(jié)合力好的涂層可以大大提高刀具的壽命，防止刀具提前磨損的出現(xiàn)。但是，使用到一定程度后的涂層刀具會(huì)因?yàn)榇植诘牡毒弑砻娑^嚴(yán)重的降低木質(zhì)板材的加工表面質(zhì)量。因此，低摩擦系數(shù)、平穩(wěn)的磨損及更長(zhǎng)的使用壽命成為涂層的研究方向。德國(guó)科研人員I.Endler等研究發(fā)現(xiàn)：涂層與刀體材料之間良好的結(jié)合力、低的表面粗糙度以及小的切削刃半徑可以得到很好的切削效果。當(dāng)涂層厚度小于5μm時(shí)，切削刃半徑可以增加很少或者不增加，這對(duì)于需要鋒利刃部的木工刀具來說是很重要的。盡管有著優(yōu)異的性能條件，涂層改良刀具卻仍然沒有在木工加工方面得到非常好的應(yīng)用，其中的困難在于機(jī)械的工藝性、木質(zhì)材料的物理性和摩擦組織性等綜合因素有著非常獨(dú)特的性能參數(shù)。這使得刀具材料的選擇和確定刀具幾何參數(shù)變得困難。
　　
　　在涂層技術(shù)中，離子注入技術(shù)的研究也取得了重要進(jìn)展。研究表明，離子注入提高刀具硬度是由于注入的原子進(jìn)入位錯(cuò)附近或固溶體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的緣故。離子注入還能形成致密的氧化膜，并且改變表面電化學(xué)性能，從而提高耐蝕性，這將對(duì)木工刀具的改良很有幫助。
　　
　　（1）滲氮技術(shù)
　　碳鋼因?yàn)槠湓谀竟ぜ庸ゎI(lǐng)域性能和價(jià)格的高性價(jià)比而獲得了廣泛的應(yīng)用，是傳統(tǒng)的木工加工刀具。隨著對(duì)加工質(zhì)量的要求逐步提高，對(duì)碳鋼木工刀具的改良改性也是眾多科研人員的努力方向。其中，滲碳、滲氮技術(shù)效果較好而且頗受關(guān)注。波蘭科研人員J.Rudnicki等通過對(duì)木工刀具的滲氮研究得出結(jié)論：對(duì)于屈服溫度較低的碳鋼，溫度低于400℃的離子滲氮可以取得良好的效果，雖然會(huì)增加刀具與木質(zhì)工件的摩擦系數(shù)，但滲氮技術(shù)可以顯著提高刀具強(qiáng)度，并提高刀具壽命1倍以上。
　　
　　（2）金剛石薄膜處理
　　
　　金剛石薄膜具有十分優(yōu)異的特性，如最大的硬度（100GPa）最高的熱導(dǎo)率［>12W/（cm·k）］，對(duì)化學(xué)反應(yīng)十分穩(wěn)定，能耐各種溫度下的非氧化性酸等，因此，金剛石膜用于加工木質(zhì)復(fù)合材料時(shí)具有很好的性能條件，其耐磨和耐蝕性可以得到充分發(fā)揮。目前，合成金剛石主要采用CVD方法。其中間層多采用TiC/TiN層以阻止鈷的擴(kuò)散并承載金剛石膜。
　　
　　M.S.Raghuveer等人研究后指出：在用CVD方法制備金剛石膜時(shí)，鈷通過晶界從基體向外的轉(zhuǎn)移比金剛石晶粒的長(zhǎng)大要明顯得多，但可用氫離子化學(xué)刻蝕結(jié)合TiC/TiN擴(kuò)散阻層的方法使之顯著降低。采用刃磨的方法得到較大的刀具刃口半徑，并可在CVD沉積時(shí)保持刀具刃口的鋒利，對(duì)于改善金剛石與刀具基體的結(jié)合力可以起到重要的作用。
　　
　　金剛石膜涂層刀具在木加工中至今應(yīng)用有限，仍然存在一些問題有待解決。主要原因在于：金剛石膜與機(jī)體的結(jié)合力始終不足，而且木加工中，需要鋒利的刃口和小的切削刃——包括切削角度，這對(duì)于金剛石膜來說又是一個(gè)難以把握的工藝問題。盡管如此，金剛石膜由于其優(yōu)異的性能使得其在木加工中有著很好的應(yīng)用前景。
　　
　　4.2 聚晶金剛石PCD與PDC
　　
　　PCD（Polycrystalline Diamond）是一種高性能的合成超硬材料。它有著很高的硬度，良好的抗磨損性以及熱傳導(dǎo)性，近年來被越來越多地應(yīng)用到木質(zhì)復(fù)合材料的加工中。1979年，德國(guó)藍(lán)幟公司首先制造出了PCD木工刀具，在加工PB（particle board）時(shí)，其壽命是常規(guī)硬質(zhì)合金刀具的125倍。由此可以看出PCD有著非常優(yōu)異的性能。
　　
　　聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡(jiǎn)稱PDC）刀具的研究是在PCD刀具研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是將金剛石微粉在超高溫高壓下一次性燒結(jié)在硬質(zhì)合金機(jī)體上，從而將PCD與硬質(zhì)合金復(fù)合成一個(gè)整體，由于它既有金剛石的硬度和耐磨性又具有硬質(zhì)合金的韌性和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，因此它的出現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義。
　　
　　目前PDC刀具復(fù)合片材料正朝著大尺寸化、晶粒細(xì)化、質(zhì)量?jī)?yōu)化、性能均勻化方面發(fā)展，其應(yīng)用市場(chǎng)也逐年增長(zhǎng)。我國(guó)木材加工工業(yè)今后發(fā)展的重點(diǎn)在于進(jìn)一步提高成材質(zhì)量、合格率和出材率，發(fā)展涂層加工。因此，木工加工工業(yè)加速采用PCD、PDC刀具將是發(fā)展趨勢(shì)。首先，由于PDC硬度高、耐磨性好、使用壽命為同類硬質(zhì)合金刀具的20～400倍，使更換刀具時(shí)間由原來的每幾小時(shí)一次到每幾個(gè)月一次。減少了換機(jī)換刀次數(shù)及刃磨工時(shí)，提高了設(shè)備利用率和木制品生產(chǎn)率。其次，刀尖后退量小，可以提高切削速度。增加每次進(jìn)給量，同樣可以提高生產(chǎn)率，而且可獲得較低的粗糙度和較高的精度。雖然刀具成本為同類硬質(zhì)合金刀具的10～40倍，但如果考慮終身成本分析，那么最終制品加工成本可下降20%～69%。
　　
　　5．結(jié)語
　　
　　在近年一次國(guó)際木工機(jī)械研討會(huì)上，英國(guó)著名的木工機(jī)械專家Geoff.stainton先生預(yù)言：中國(guó)將成為世界上最大的木工機(jī)械生產(chǎn)基地。我國(guó)是硬質(zhì)合金生產(chǎn)大國(guó)，硬質(zhì)合金是生產(chǎn)木工刀具的主要材料，所以如何利用我們的優(yōu)勢(shì)，在木工刀具這一市場(chǎng)盡快成熟，縮小與國(guó)外的差距將有著重大意義。