1．引言
　　
　　近年來，現代化木材加工工業發展迅猛，木質復合材料的加工因此得到了的高速發展。隨著人們環保意識的增強，人造板工業得到了越來越多的發展空間。其中最主要的產品是中密度纖維板（MDF），我國目前是亞洲產量最大的國家。2001年強化木地板實際產量已增至6000萬m2，如此大量增長的需求對切削加工工具提出了新的要求。目前在切削人造板等木質復合材料時使用的刀具材料主要是硬質合金，硬質合金的耐磨性、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構，使得與刀具的摩擦系數很大，而且木質復合材料本身既含有造成刀具機械擦傷的硬質點（某些人造板表面還有難以加工的硬質涂層），又有引發刀具發生化學腐蝕的酸性介質，這些都會加劇刀具磨損和腐蝕，不僅大大縮短了使用壽命，而且嚴重降低了產品的質量，進而影響了產品的加工成本和生產效率。現有的硬質合金刀具在耐磨和耐腐蝕性方面已經不能滿足要求，為了達到良好的經濟效益和社會效益，市場迫切需要高性能的、高質量的木工加工刀具。
　　
　　我國現階段不僅在木工刀具研究理論上還很貧乏，而且在其生產上更是非常落后，因此了解和掌握目前國內外木工刀具的發展狀況和研究進展有著重要的意義。
　　
　　2．磨損機理
　　
　　2.1 機械擦傷磨損
　　
　　由于木質復合材料所具有的特殊的不同于金屬材料的組成結構，因此對刀具在加工中的磨損機理要有特殊的研究，這對于刀具的材料選擇和幾何參數的選用等都是很有必要的。木工刀具的磨損主要分為兩類：機械擦傷磨損和腐蝕磨損。
　　
　　機械擦傷磨損由木質復合材料中的硬質顆粒或凸出物使刀具材料遷移所造成。細胞壁、樹脂、礦物質（如石英砂等）、節子、膠合材料等，都可能成為機械擦傷磨損的硬質點。通常認為：機械擦傷磨損是磨料在刀具表面滑過，產生擦傷或微切削，結果在刀具表面形成擦痕或犁溝的過程。判斷機械擦傷是否為刀具的主要磨損機理，除了考慮刀具材料特性，還要考慮工件的化學性質和含水率。若工件含水率高，酸性較強，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
　　
　　硬質合金刀片在切削某些木質材料時易生成揮發的氯化物。硬質合金刀具中的鈷元素會被有機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與離子發生鰲合反應，生成疏松的鰲合物。可見，有機弱酸和多元酚化合物對刀具材料的腐蝕是逐步進行的，最后生成金屬鰲合物覆蓋在刀具表面。對于硬質合金刀具，鈷是不可缺少的粘結相，一旦鈷被腐蝕，生成的鰲合物在機械擦傷磨損作用下很快被磨耗，造成刀具材料被嚴重磨損。另外，電化學腐蝕也是造成刀具磨損的重要原因。因此，刀具的磨損其實質是刀具與工件材料發生機械、熱和電化學腐蝕的綜合作用，是使刀具前后面的金屬材料不斷損失的過程。對幾種典型刀具來說，金剛石薄膜的磨耗機理是“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。粘結劑（鈷元素）喪失是硬質合金刀片磨損的根本原因，因此腐蝕磨損是硬質合金刀片的主要磨損機理。
　　
　　3．國內外現狀與發展方向
　　
　　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展。這些新材料在某些力學、物理性能方面具有傳統材料難以比擬的優勢。
　　
　　在木材加工這一行業，最早使用的刀具是高速鋼，隨著硬質合金與金剛石等超硬材料的使用，木工刀具的發展日漸成熟。涂層處理毫無疑問是當今研究和開發最多的技術。美國、德國、波蘭等國家在這方面的研究很多，主要是針對涂層結合力、磨損機理、涂層材料性能比較等等。多層涂層、多元復合涂層以及金剛石涂層、CBN、CN涂層將是未來刀具涂層的發展方向。另外，PCD刀具的應用也非常多。德國的藍幟（Leitz）公司是世界生產木工刀具最有名的公司之一，他們已經研究出比PCD刀具耐磨性還要高數十倍的MCD單晶金剛石刀具。
　　
　　目前國內外對木材加工刀具的研究都很重視，隨著高效率、高環保意識的深入人心，木材加工這一傳統的產業被賦予了新的發展方向，那就是在刀具磨損機理的研究、刀具幾何參數的計算優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，國外已經有不少文章發表，國內也已經有部分專家在木工刀具的理論方面做了大量的研究，比如南京林業大學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。哈爾濱工業大學也在刀具磨損和 PCD木工刀具等方面做了不少的研究。
　　
　　4．研究動態
　　
　　4.1 涂層技術
　　
　　涂層是一種適于木工刀具處理的新技術，通常是在硬質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氣相沉積涂層（CVD）和物理氣相沉積涂層（PVD）。未涂層的硬質合金材料，其刀具耐熱性和耐磨性低于硬質相本身，而表面涂層硬質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合金高的硬度（如用CVD涂覆TiC，硬度達到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合金在加工中“脫鈷”的現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P Beer等研究指出：刀具涂層和原木的摩擦系數仍然相對較高，這就對涂層的結合力提出了更高的要求。結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。但是，使用到一定程度后的涂層刀具會因為粗糙的刀具表面而較嚴重的降低木質板材的加工表面質量。因此，低摩擦系數、平穩的磨損及更長的使用壽命成為涂層的研究方向。德國科研人員I. Endler等研究發現：涂層與刀體材料之間良好的結合力、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。當涂層厚度小于5μm時，切削刃半徑可以增加很少或者不增加，這對于需要鋒利刃部的木工刀具來說是很重要的。盡管有著優異的性能條件，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用，其中的困難在于機械的工藝性、木質材料的物理性和摩擦組織性等綜合因素有著非常獨特的性能參數。這使得刀具材料的選擇和確定刀具幾何參數變得困難。
　　
　　在涂層技術中，離子注入技術的研究也取得了重要進展。研究表明，離子注入提高刀具硬度是由于注入的原子進入位錯附近或固溶體產生固溶強化的緣故。離子注入還能形成致密的氧化膜，并且改變表面電化學性能，從而提高耐蝕性，這將對木工刀具的改良很有幫助。
　　
　　（1）滲氮技術
　　
　　碳鋼因為其在木工加工領域性能和價格的高性價比而獲得了廣泛的應用，是傳統的木工加工刀具。隨著對加工質量的要求逐步提高，對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、滲氮技術效果較好而且頗受關注。波蘭科研人員J. Rudnicki等通過對木工刀具的滲氮研究得出結論：對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，雖然會增加刀具與木質工件的摩擦系數，但滲氮技術可以顯著提高刀具強度，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異的特性，如最大的硬度（100GPa）最高的熱導率［>12W/（cm·k）］，對化學反應十分穩定，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復合材料時具有很好的性能條件，其耐磨和耐蝕性可以得到充分發揮。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，鈷通過晶界從基體向外的轉移比金剛石晶粒的長大要明顯得多，但可用氫離子化學刻蝕結合 TiC/TiN 擴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沉積時保持刀具刃口的鋒利，對于改善金剛石與刀具基體的結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：金剛石膜與機體的結合力始終不足，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，這對于金剛石膜來說又是一個難以把握的工藝問題。盡管如此，金剛石膜由于其優異的性能使得其在木加工中有著很好的應用前景。
　　
　　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性，近年來被越來越多地應用到木質復合材料的加工中。1979 年，德國藍幟公司首先制造出了PCD木工刀具，在加工PB（particle board）時，其壽命是常規硬質合金刀具的125倍。由此可以看出PCD有著非常優異的性能。
　　
　　聚晶金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC）刀具的研究是在PCD刀具研究的基礎上發展起來的。它是將金剛石微粉在超高溫高壓下一次性燒結在硬質合金機體上，從而將 PCD與硬質合金復合成一個整體，由于它既有金剛石的硬度和耐磨性又具有硬質合金的韌性和可焊性等優點，因此它的出現具有劃時代的意義。
　　
　　目前PDC刀具復合片材料正朝著大尺寸化、晶粒細化、質量優化、性能均勻化方面發展，其應用市場也逐年增長。我國木材加工工業今后發展的重點在于進一步提高成材質量、合格率和出材率，發展涂層加工。因此，木工加工工業加速采用PCD、PDC刀具將是發展趨勢。首先，由于PDC硬度高、耐磨性好、使用壽命為同類硬質合金刀具的20～400倍，使更換刀具時間由原來的每幾小時一次到每幾個月一次。減少了換機換刀次數及刃磨工時，提高了設備利用率和木制品生產率。其次，刀尖后退量小，可以提高切削速度。增加每次進給量，同樣可以提高生產率，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．結語
　　
　　在近年一次國際木工機械研討會上，英國著名的木工機械專家Geoff. stainton先生預言：中國將成為世界上最大的木工機械生產基地。我國是硬質合金生產大國，硬質合金是生產木工刀具的主要材料，所以如何利用我們的優勢，在木工刀具這一市場盡快成熟，縮小與國外的差距將有著重大意義。