本发明属于超硬材料加工技术领域，具体涉及一种木工超硬刀具的制备方法。
背景技术：
近年来，现代化木材加工工业发展迅猛,因此,木质复合材料的加工得到了高速发展。目前在切削木质复合材料时使用的刀具材料主要是硬质合金，但由于木质复合材料既含有造成刀具机械擦伤的硬质点(某些人造板表面还有难以加工的硬质涂层)，又有引发刀具发生化学腐蚀的酸性介质，现有的硬质合金刀具在耐磨和耐腐蚀性方面已经不能满足要求，为了达到良好的经济效益和社会效益，市场迫切需要高性能、高质量的木工加工刀具。
聚晶金刚石和立方氮化硼具有极高的硬度和耐磨性,特别是聚晶金刚石,其显微硬度可达10000hv，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，热膨胀系数低，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，导热率高，切削时不易产生积屑，可以避免热量对刀刃和工件的影响，因此刀刃不易钝化，切削变形小，可以获得较高质量的表面。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、各种纤维，以及颗粒加强的复合材料(尤其是实木和胶合板等复合材料)。
因此，使用超硬材料取代普通的切削材料，应用于木工刀具的制备，开发出一种耐磨性能好，切削效率高，加工精度高的超硬木工刀具，对满足木工加工行业高速、高效、高精度的高速切削具有重要的现实意义。
授权公告号为cn105269284b的中国专利公开了一种内凹形复杂轮廓pcd刀具的超精密高效制备工艺方法，包括以下步骤：(1)pcd复合片切割：利用线切割的方法分别将16p及12p的pcd复合片切割成若干块pcd刀片；(2)刀片焊接：将pcd刀片焊接在刀具基体上，得到pcd刀具；(3)pcd刀具后刀面的加工：按照内凹形复杂轮廓刀具后角的设计要求，利用电腐蚀加工装置对pcd刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的pcd刀具；其中，电腐蚀加工参数为：电压160～180v，电流7～30a，脉宽6～12微秒，脉冲间隙80～140微秒；(4)pcd刃口及其第一后角的加工：按照内凹形复杂轮廓刀具刃口的设计要求，利用激光切割装置对pcd刀具进行激光切割处理，激光加工参数为以下参数：第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为6-10°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为100000/30hz或者37037/30hz，激光功率为80w；第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/20hz，激光功率为50w；切削刃及第一后角超精加工：切深0.2-0.3mm，上切宽0.02-0.05mm，下切宽0.02-0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为3-5°，脉宽为0.6-2.5微秒，频率为76923/30hz或者35714/30hz，激光功率为30w；抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为100000/50hz或者37037/40hz，激光功率为20w。该方法中是采用线切割、电腐蚀和激光加工相结合的加工方法，存在制备方法复杂化、制备效率底的问题。
申请公布号为cn108213735a的中国专利申请公开了一种无石墨化复杂轮廓pcd成型刀具刃口激光加工方法，包括以下步骤：(1)根据加工面轮廓设计pcd刀片轮廓形状，预留加工余量；(2)用激光加工系统将pcd复合片切割成所需pcd刀片；(3)将pcd刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需pcd刀具；(4)焊接后的pcd刀具采用集成激光加工系统进行加工，集成激光加工系统同时具备长脉冲探头和短脉冲激光探头，采用长脉冲激光探头对pcd刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，吹走熔渣；其中，粗加工激光切割参数为激光功率40-100w，光斑直径0.2-0.5mm，扫描速度200-500mm/min，扫描次数5-10次，激光锥度5°-10°；(5)采用集成激光加工系统的短脉冲激光探头对粗加工后的pcd刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，精加工激光切割参数为激光功率14-20w、重复频率200-500khz，光斑直径0.02-0.06mm、扫描速度400-1000mm/s、扫描次数10-20次，激光锥度5°-10°。该方法中是采用真空焊接方式，对刀杆材料要求高，制备方法复杂、制备成本高，加工方式采用激光加工长脉冲与短脉冲相结合进行加工，存在制备效率低的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种木工超硬刀具的制备方法，以解决现有木工超硬刀具的制备效率低、制备工艺复杂、制备成本高、制备得到的木工超硬刀具具有石墨化层、磨损量高、寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：将刀具基体做淬火处理，将聚晶复合刀片焊接在淬火处理后的刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2)激光粗精一体加工待加工的木工超硬刀具的后角及刃口，激光粗精一体加工的参数如下所示：
后角开粗：切深0.34～0.4mm，上切宽0.04～0.05mm，下切宽0.04～0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为6°～8°，脉宽为0.8～1.2微秒，频率为40000/2hz，激光功率为60～80w；
刃口及后角精加工：切深0.1～0.2mm，上切宽0.026～0.035mm，下切宽0.026～0.035mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°～6°，脉宽为0.8～1.2微秒，频率为31250/2～36500/2hz，激光功率为25～40w；
刃口抛光处理：切深0.002～0.05mm，上切宽0.026～0.035mm，下切宽0.026～0.035mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1～1.2微秒，频率为22222/50～25000/50hz，激光功率为20～25w。
本发明的木工超硬刀具的制备方法，将刀具基体做淬火处理，提高刀具基体的硬度及强度，提高基体的耐磨性及刚性；淬火处理后将聚晶复合刀片焊接在淬火处理后的刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具。采用激光粗精一体加工待加工的木工超硬刀具的后角及刃口，激光粗精一体加工过程中，采用控制程序调整加工功率、频率等加工参数，设备安装有红外线探针具有探测功能，设备根据探测的数据调整激光束焦点位置，粗加工和精加工无需切换加工方式，无需更换激光头，无需调整激光束焦点位置，一次加工到位，节省加工时间，提高加工效率。
综上所述，本发明提供了一种制备成本低、加工效率高的木工超硬刀具的制备方法，且由此方法制备得到的木工超硬刀具，在切削过程中，刀具刃部磨损量小，仅为38.55～40.85vb/μm，相比采用现有方法制备得到的刀具，磨损量降低了26.13～35.86％，满足木加工的刀具需求，提高了刀具的耐磨性，相应提高了刀具的寿命。
激光粗精一体加工是指在加工过程中，采用控制程序调整加工功率、频率等加工参数，搭配合适的激光头，设备安装有探针具有探测功能，能够调整激光束焦点位置。现有刀具制备方法在加工刀具时因功率及激光束焦点不同，需要更换不同的激光头，并重新计算激光束焦点位置，相比现有的刀具制备方法，本发明简化了加工过程，减少了人员操作步骤及时间。
激光粗精一体加工采用的设备为dmgmori公司生产的牌号为lasertec20finecutting五轴激光加工设备，采用的激光器为纳秒激光器，为高频激光器，纳秒激光器的功率光纤激光最大功率为100w。
为进一步降低所制刀具的磨损量，优选的，步骤2)中激光粗精一体加工的参数如下所示：后角开粗：切深0.4mm，上切宽0.05mm，下切宽0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为1微秒，频率为40000/2hz，激光功率为80w；刃口及后角精加工：切深0.15mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°，脉宽为1微秒，频率为35000/2hz，激光功率为30w；刃口抛光处理：切深0.008mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1微秒，频率为22222/50，激光功率为22w。
为进一步降低刀具制备的成本，优选的，步骤1)中所述刀具基体为40cr合金钢或gcr15淬火钢。
为进一步优选刀具基体，提高刀具基体的硬度及刚性，避免刀具在使用中产生变形及震动，提高刀具的精度及寿命，优选的，步骤1)中淬火处理后的刀具基体的硬度为hrc40-55。
为进一步降低制备成本，降低对刀具基体的伤害，优选的，步骤1)中焊接方式为钎焊且为高频焊接。
高频焊接是指采用高频感应钎焊设备进行焊接加工。将糊状钎剂、钎料片、聚晶复合刀片放置在刀具基体上，利用电磁感应原理使电磁能在钎料和零件中转化成热能，将钎料加热到熔融状态，并用感应钎焊设备控制钎焊温度在(670-700)℃，保温时间16s，从而将零件焊接在一起。以提高木工超硬刀具的尺寸精度，提高木工超硬刀具的剪切强度至300～400mpa。
聚晶复合刀片是由聚晶复合片依照刀具的设计形状切割成。优选的，聚晶复合片的切割方式为激光切割。
为进一步提高制备得到的木工超硬刀具的使用性能和寿命，优选的，步骤1)中所述聚晶复合刀片为聚晶金刚石复合刀片或聚晶立方氮化硼复合刀片。
为进一步提高制备得到的木工超硬刀具的寿命，提高刀片自身的硬度，优选的，步骤1)中所述聚晶复合刀片中磨料的粒度为6～14μm，磨料的体积含量为90～92％。
为进一步提高制备得到的木工超硬刀具的使用性能，优选的，步骤1)中所述聚晶复合刀片为具有曲面的聚晶复合刀片。进一步优选的，所述具有曲面的聚晶复合刀片为具有内凹形面或多折线形的聚晶复合刀片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，聚晶金刚石复合片、聚晶立方氮化硼复合片、40cr淬火钢、激光加工等设备和原料均可通过市售常规渠道获得。对超硬木工刀具进行激光加工处理时按照木工超硬刀具的刃口及木工超硬刀具后角的设计要求进行激光加工，后角为超硬刀具的后刀面，刃口为超硬刀具的前刀面与后刀面形成的工作边线。聚晶复合片中聚晶层为除去基体以外的耐磨层。木工超硬刀具为应用于木工行业的超硬刀具。聚晶金刚石复合片为以聚晶金刚石为磨料的金刚石复合片。聚晶立方氮化硼复合片为以聚晶立方氮化硼为磨料，且与金刚石复合片结构相似的复合片。聚晶金刚石复合片或聚晶立方氮化硼复合片均包括聚晶层和基体层，聚晶层中包括磨料(聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼)、结合剂，基体层为硬质合金等作为基体的材料。
本发明的木工超硬刀具的制备方法的实施例1
本实施例的木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：利用激光切割的方式将聚晶金刚石复合片切割成若干块聚晶金刚石复合刀片；聚晶金刚石复合刀片中磨料的粒度为6μm，磨料的体积含量为90％，聚晶层厚度为0.40mm；刀片为具有内凹形曲面的刀片；刀具基体做淬火处理，刀具基体的硬度为hrc42，刀具基体为40cr淬火钢；采用高频焊接方式将刀片钎焊焊接在刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2)对待加工的木工超硬刀具进行激光粗精一体加工：
后角开粗：切深0.4mm，上切宽0.05mm，下切宽0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为1微秒，频率为40000/2hz，激光功率为80w；
刃口及后角精加工：切深0.15mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°，脉宽为1微秒，频率为35000/2hz，激光功率为30w；
刃口抛光处理：切深0.008mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1微秒，频率为22222/50hz，激光功率为22w。
本发明的木工超硬刀具的制备方法的实施例2
本实施例的木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：利用激光切割的方式将聚晶立方氮化硼复合片切割成若干块聚晶立方氮化硼复合刀片；聚晶立方氮化硼复合刀片中磨料的粒度为14μm，磨料的体积含量为92％，聚晶层厚度为0.70mm；刀片为具有多折线形的刀片；刀具基体做淬火处理，然后清理表面氧化层，刀具基体的硬度为hrc50，刀具基体为gcr15淬火钢；采用高频焊接方式将刀片钎焊焊接在刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2)对待加工的木工超硬刀具进行激光粗精一体加工：
后角开粗：切深0.4mm，上切宽0.05mm，下切宽0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为1微秒，频率为40000/2hz，激光功率为80w；
刃口及后角精加工：切深0.15mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°，脉宽为1微秒，频率为35000/2hz，激光功率为30w；
刃口抛光处理：切深0.008mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1微秒，频率为22222/50hz，激光功率为22w。
本发明的木工超硬刀具的制备方法的实施例3
本实施例的木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：利用激光切割的方式将聚晶金刚石复合片切割成若干块聚晶金刚石复合刀片；聚晶金刚石复合刀片中磨料的粒度为10μm，磨料的体积含量为91％，聚晶层厚度为0.6mm；刀片为具有多折线形的刀片；刀具基体做淬火处理，然后清理表面氧化层，刀具基体的硬度为hrc45，刀具基体为40cr淬火钢；采用高频焊接方式将刀片钎焊焊接在刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2)对待加工的木工超硬刀具进行激光粗精一体加工：
后角开粗：切深0.4mm，上切宽0.05mm，下切宽0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为1微秒，频率为40000/2hz，激光功率为80w；
刃口及后角精加工：切深0.15mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°，脉宽为1微秒，频率为35000/2hz，激光功率为30w；
刃口抛光处理：切深0.008mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1微秒，频率为22222/50hz，激光功率为22w。
本发明的木工超硬刀具的制备方法的对比例1
本实施例的木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：利用线切割的方式将聚晶金刚石复合片切割成若干块聚晶金刚石复合刀片；聚晶金刚石复合刀片中磨料的粒度为10μm，磨料的体积含量为91％，聚晶层厚度为0.6mm；刀片为具有多折线形的刀片；刀具基体为硬质合金材料；采用真空焊接方式将刀片焊接在刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2)pcd刀具后刀面的加工：利用电腐蚀加工装置对pcd刀具进行电腐蚀线切割处理，得到具有低粗糙度后刀面的pcd刀具；其中，电腐蚀加工参数为：电压160～180v，电流7～30a，脉宽6～12微秒，脉冲间隙80～140微秒；
3)对后角加工后的刀具进行激光加工处理：
第一后角开粗：切深0.3mm，上切宽0.07mm，下切宽0.06mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为2微秒，频率为100000/30hz，激光功率为80w；
第一后角精加工：切深0.5mm，上切宽0.04mm，下切宽0.04mm，焦距位置为0mm，入射角为10°，脉宽为1.2微秒，频率为100000/20hz，激光功率为50w；
切削刃及第一后角超精加工：切深0.2mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为0.8微秒，频率为76923/30hz，激光功率为30w；抛光处理：切深0.07mm，上切宽0.02mm，下切宽0.02mm，焦距位置为0mm，入射角为5°，脉宽为0.8微秒，频率为37037/40hz，激光功率为20w。
本发明的木工超硬刀具的制备方法的对比例2
本实施例的木工超硬刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)刀片焊接：利用激光切割的方式将聚晶金刚石复合片切割成若干块聚晶金刚石复合刀片；聚晶金刚石复合刀片中磨料的粒度为10μm，磨料的体积含量为91％，聚晶层厚度为0.6mm；刀片为具有多折线形的刀片；刀具基体为硬质合金材料；采用真空焊接方式将刀片焊接在刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具。
2)对待加工的木工超硬刀具进行激光加工处理：
采用集成激光加工系统进行加工，集成激光加工系统同时具备长脉冲探头和短脉冲激光探头，采用长脉冲激光探头对pcd刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，吹走熔渣；其中，粗加工激光切割参数为激光功率80w，光斑直径0.4mm，扫描速度400mm/min，扫描次数8次，激光锥度10°；采用集成激光加工系统的短脉冲激光探头对粗加工后的pcd刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，精加工激光切割参数为激光功率20w、重复频率400khz，光斑直径0.04mm、扫描速度700mm/s、扫描次数12次，激光锥度6°。
试验例：
对本发明所提供的木工刀具的制备方法的实施例1-3和对比例1-2得到的木工刀具的性能进行表征，得到的结果如表1所示。
试验中，选用16mm厚的al2o3颗粒表层强化复合地板作为切削试验材料，采用dc-6060a数控机床进行铣削，主轴速度n＝6000r/min、进给速度f＝10000mm/min时，加工相同直线长度1000m后，测量刀具的后刀面磨损量vb。
表1木工刀具的性能
试验结果表明，在相同的切削要素下，本发明所提供的的木工刀具的制备方法的实施例1-3与对比例1-2得到的木工刀具相比，刀具的后刀面磨损相对较小，使用寿命较长。本发明所提供的木工刀具的制备方法，和对比例1和对比2进行对比，仍存在如下优势：采用高频焊接，焊接强度高，对刀杆材料的要求低，制备成本低；激光粗精一体加工，无需更换激光头，无需调整激光束焦点位置；采用高频激光器，粗加工和精加工无需切换加工方式，一次加工到位，节省加工时间，提高加工效率。综上所述，本发明提供了一种制备成本低、加工效率高的木工刀具的制备方法，且由此制备方法制备得到的性能优异、符合木加工刀具要求的木工刀具。
1.一种木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）刀片焊接：将刀具基体做淬火处理，将聚晶复合刀片焊接在淬火处理后的刀具基体上，得到待加工的木工超硬刀具；
2）激光粗精一体加工待加工的木工超硬刀具的后角及刃口，激光粗精一体加工的参数如下所示：
后角开粗：切深0.34~0.4mm，上切宽0.04~0.05mm，下切宽0.04~0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为6°~8°，脉宽为0.8~1.2微秒，频率为40000/2hz，激光功率为60~80w；
刃口及后角精加工：切深0.1~0.2mm，上切宽0.026~0.035mm，下切宽0.026~0.035mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°~6°，脉宽为0.8~1.2微秒，频率为31250/2~36500/2hz，激光功率为25~40w；
刃口抛光处理：切深0.002~0.05mm，上切宽0.026~0.035mm，下切宽0.026~0.035mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1~1.2微秒，频率为22222/50~25000/50hz，激光功率为20~25w。
2.如权利要求1所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤2）中激光粗精一体加工的参数如下所示：
后角开粗：切深0.4mm，上切宽0.05mm，下切宽0.05mm，焦距位置为0mm，入射角为8°，脉宽为1微秒，频率为40000/2hz，激光功率为80w；
刃口及后角精加工：切深0.15mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为5.5°，脉宽为1微秒，频率为35000/2hz，激光功率为30w；
刃口抛光处理：切深0.008mm，上切宽0.03mm，下切宽0.03mm，焦距位置为0mm，入射角为3°，脉宽为1微秒，频率为22222/50，激光功率为22w。
3.如权利要求1或2所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述刀具基体为40cr合金钢或gcr15淬火钢。
4.如权利要求1或2所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中淬火处理后的刀具基体的硬度为hrc40-55。
5.如权利要求1或2所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中焊接方式为钎焊且为高频焊接。
6.如权利要求1或2所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述聚晶复合刀片为聚晶金刚石复合刀片或聚晶立方氮化硼复合刀片。
7.如权利要求6所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述聚晶复合刀片中磨料的粒度为6~14μm，磨料的体积含量为90~92%。
8.如权利要求1或2所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述聚晶复合刀片为具有曲面的聚晶复合刀片。
9.如权利要求8所述的木工超硬刀具的制备方法，其特征在于，所述具有曲面的聚晶复合刀片为具有内凹形面或多折线形的聚晶复合刀片。
技术总结