什么是刀具?

[拼音]：daoju

[外文]：cutting tool

机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中用的刀具基本上都用于切削金属材料，“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前 28～前 20世纪就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前3世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。然而，刀具的急剧发展是在18世纪后期伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的S.勒内首先制出铣刀。1792年，英国的H.莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米／分。1868年，英国的R.穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的F.W.泰勒和M.怀特发明高速钢。1923年，德国的K.施勒特尔发明硬质合金。在采用合金工具钢时，刀具许用的切削速度提高到约 8米／分，采用高速钢时，又提高2倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高2倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现了焊接和机械夹固式结构。1949～1950年间，美国开始在车刀上采用可转位刀片（见可转位刀具），不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法生产碳化钛涂层的硬质合金刀片的专利。1972年，美国的R.F.邦沙和A.C.拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

刀具按工件加工表面的形式可分为 5类。

（1）加工各种外表面（平面、旋转体表面、沟槽、台阶等）的刀具：包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等。

（2）孔加工刀具：包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等。

（3）螺纹加工工具：包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等。

（4）齿轮加工刀具：包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等。

（5）切断刀具：包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等。此外，还有组合刀具。

按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为3类。

（1）通用刀具:其刀刃的形状不是根据工件专门设计的，刀具相对工件的进给运动（见机床）由机床导轨控制，或者由靠模(见仿形机床)或其他机构控制。属于这类的刀具有车刀、刨刀、铣刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀）、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等。

（2）成形刀具：这类刀具的刀刃必须具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状。属于这一类的刀具有成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等。

（3）展成刀具:这类刀具是用展成法(见齿轮加工) 加工齿轮的齿面或类似的工件。属于这类的刀具有滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分（刀齿或刀片）则镶装在刀体上。

刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴（见机床主轴）或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄3种形式（图1）。车刀、刨刀等一般为矩形柄。圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩。在锥柄麻花钻和机用铰刀等的柄端有扁尾，以便在锥孔中卸下。锥柄立铣刀和插齿刀的柄端有螺孔，可用拉杆将其拉紧在机床的主轴孔内。圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。手用铰刀和丝锥的圆柱柄端有方尾，以传递扭矩。削平型圆柱柄靠螺钉和摩擦力传递扭矩，因传递力矩大、刀具的轴向位置可调节，已被应用于大尺寸的立铣刀上，但柄的加工精度要求较高。为了节省昂贵的高速钢，很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。

刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等。有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑。校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式 3种（只有镶片圆锯采用铆接结构）。整体结构是在刀体上做出切削刃，焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上。机械夹固结构又有两种：一种是把刀片夹固在刀体上；另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构，只有小尺寸的用整体硬质合金制成（如钻头、丝锥和小模数齿轮滚刀等）。陶瓷刀具都采用机械夹固结构。聚晶金刚石和立方氮化硼刀具则既采用机械夹固结构，也采用焊接结构。

各种刀具都有担负切削的切削部分。单齿刀具只有一个切削部分，多齿刀具则有多个。不论刀具结构如何复杂，在分析各种刀具时，都可以把它当成只有一个切削部分的车刀来分析。车刀的切削部分主要由主切削刃、副切削刃、刀尖、前面、主后面和副后面组成（图2）。为了确定刀面与刀刃在空间的位置，需要选择一些参考平面作为基准，以构成刀具角度的坐标系。根据设计、工艺的不同需要，国际标准化组织推荐了4种刀具标注坐标系。其中以主剖面系应用最广，它由3个平面组成。

（1）基面Pr：通过切削刃上某选定点，且平行或垂直于刀具在制造、刃磨和测量过程中适于定位或定向的平面或轴线。车刀的基面是平行刀杆底面的平面。

（2）切削平面PS：和切削刃上的选定点相切，并垂直于基面的平面。

（3）主剖面Po：通过主切削刃上某选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。

在参考平面确定以后，刀面和主切削刃的方位只要用4个不同类型的角度就可以表达，即前角、后角、刃倾角、主偏角。

（1）前角γo：在主剖面中测量的前面与基面间的夹角。

（2）后角αo：在主剖面中测量的后面与切削平面间的夹角。

（3）主偏角κr:主切削刃与进给运动方向在基面上投影间的夹角。

（4）刃倾角γ S :主切削刃与基面间的夹角。

同样，副切削刃及其关连的刀面在空间的定向可通过副切削刃主剖面Pó、副切削平面P宺和基面Pr组成的副剖面系中4个角度表达，即副前角γó、副后角αó、副刃倾角γ宺、副偏角κ惤，它们的定义与主切削刃上4个角度类似。

刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。后角的作用是减小刀具在切削过程中后面与加工表面之间的摩擦。各种刀具的后角一般为 5°～12°。刃倾角影响切削时切屑流出的方向，也影响刀尖的强度和散热条件。负的刃倾角有利于加强刀尖强度和散热，在加工淬硬钢和刀具承受冲击载荷时，应采用负的刃倾角。主偏角影响切削加工残留面积高度和切削力的大小、比例关系。主偏角大时，径向分力小，轴向分力则大。在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质（粗加工、精加工）等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度。在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。

刀具的前面是切屑流出时经过的表面，多数刀具的前面为平面或以直线为母线的螺旋面。但车刀不同，为了折断切屑和加强刀刃，车刀的前面常制有负倒棱、断屑槽和断屑台等。刀具的后面有3种形式，即平面、圆弧曲面（如成形车刀）和铲齿曲面（通常为阿基米德螺旋面，如成形铣刀和齿轮滚刀）。具有平面后面的刀具用钝后刃磨后面；具有旋转曲面和铲齿曲面的刀具则刃磨前面。这两种后面形式使刀具在刃磨后刀刃廓形保持不变。

刀具材料必须具有：高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等）并不易变形。表列出了各种刀具材料在不同温度下的硬度和抗弯强度。通常材料硬度高，耐磨性也高；抗弯强度高，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等。聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属及合金、塑料和玻璃钢等。碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。硬质合金可转位刀片已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。

由于在高温、高压、高速下和在腐蚀性流体介质中工作的零件应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。适应这种情况，刀具的发展趋势是：发展和应用新的刀具材料，进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性、高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。

参考书目

华南工学院、甘肃工业大学主编：《金属切削原理及刀具设计》，上海科学技术出版社，上海，1981。

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