刀具的基础知识
一、 刀具的基本概念
刀具是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丿J具，还包括磨具。 绝人多数的刀具是机用的，但也冇手用的。由于机械制造中使用的刀具基木上都用于切削金属材料， 所以“刀具” 一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的丿J具则称为木工刀具。
二、 刀具的发展
刀貝的发展在人类进步的历史上占有巫耍的地位。中国早在公元前20世纪，就已岀现黄铜锥和紫铜的 锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期（公元前三世纪），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Z处。
然而，刀貝的快速发展是在18世纪厉期，伴随蒸汽机等机器的发展而來的。1783年，法国的勒内首 先制出铳刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明授早的文献记载是在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，英国的穆舍特制成含钩的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和?怀特发明高速钢。1923年，徳 国的施勒特尔发明硬质合金。
在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提髙到约8米/分，采用高速钢时，乂提高两倍以上，到采用硬 质合金时，乂比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也人人提高。由于高速钢 和硬质合金的价格比较昂贵，刀貝岀现焊接和机械夹固式结构。194旷1950年间，美国开始在车刀上采用可 转位刀片，不久即应用在铳刀和其他刀具上。1938年，徳国徳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。这些非金属刀貝材料可使刀貝以更高的 速度切削。
1969年，瑞典山特维克钢厂-取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年, 美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉枳法，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。 表而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辭性结合起來，从而使这种复合材料貝有 更好的切削性能。
三、 刀具的分类
1 .刀具按工件加工表面的形式可分为五类。
加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铳刀、外表面拉刀和锂刀等： 孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、锐刀、饺刀和内表面拉刀等：
螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开介螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铳刀等：齿轮加工刀具，包括 滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；
切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铳刀等等； 此外，还有组合刀具。
2.按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。
通用刀具，如车刀、刨刀、铳刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铳刀）、锂刀、钻头、扩孔钻、 饺刀利锯等：
成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、 成形铳刀、拉刀、圆锥饺刀和各种螺纹加工刀具等；
展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮 铳刀盘等。
四、刀具的结构
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）则镶装在丿J体上。刀具的装夹部分冇带孔和带柄两类。带孔刀具依 靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铳刀、套式面铳刀等。
带柄的刀具通常冇矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、创刀等-?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；圆柱柄-?般适用于较小的麻花钻、立铳刀等刀具，切削时借助夹紧时所 产生的摩擦力传递扭转力矩。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陶部分对 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。冇的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、创刀、锂刀和铳刀等； 冇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、钱刀、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冇整体式、焊接式和机械夹固式三种。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；机械夹固结构乂冇两种，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；瓷刀具都采用机械夹固结构。
刀具切削部分的儿何参数对切削效率的高低和加工质屋的好坏冇很大影响。増大前角，可减小前刀面 挤压切削层时的製性变形，减小切储流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但増大前角，同时 会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。
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、精加工）等，必 须根据具体悄况合理选择。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冇所不同，但通常相差很小。
制造刀具的材料必须具冇很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。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时， 冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具冇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。聚品立方氮化硼适用于切削 高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚品金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、犁料和玻璃钢等；碳素工具钢 和合金工具钢现在只用作锂刀、板牙和丝锥等工具。硬质合金可转位刀片现在都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、丝锥和铳刀等。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，其应用的难加工材料越來越多，切削加 工的自动化水平和对加工粘度的要求越來越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的 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硕度的涂层，更好地 解决刀具材料碾度与强度间的才盾；进一步发展可转位刀具的结构；捉高刀具的制造粘:度，减小产品质量 的差别，并使刀具的使用实现最性化。
五、刀具材料的选择
1.常用的刀具材料 高速钢
1898年由美国机械丄程师泰勒(F.W. Taylor)和冶金丄程师怀特(M. White)发明的高速钢至今仍是一种常用 刀具材料。高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%?1.05%。 高速钢具冇较高耐热性，其切削温度可达600°C,与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提 高。高速钢具冇良好的韧性和成形性，可用于制造儿乎所冇品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉 刀、小直径铳刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材 料越來越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如鸭)的储藏资源在壯界范围内口渐枯竭，据估 计其储量只够再开采使用40?60年，因此高速钢材料血临严峻的发展危机。
高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。
普通高速钢，如WlJ8c24v T泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40 —60m / min。
高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢小再增加一些含碳量、含饥量及添加钻、 铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1. 5—3倍。
粉末冶金高速钢是70年代投入W场的一种高速钢，其强度与韧性分别捉高30% — 40%和80% — 90 %.耐用度可提高2—3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。 陶瓷
与硬质合金相比，陶瓷材料具冇更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为 硬质合金刀具的10?20倍，其红硬性比硬质合金高2?6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合 金。陶瓷材料的缺点是脆性大、橫向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近儿十年來人们不断对其 进行改进的重点。
陶瓷刀具材料可分为三大类：①氧化铝基陶瓷。通常是在A1203基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC. Zr02 等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达93?95HRC,为提高韧性，常添加少g Co. Ni等金属。② 氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅某陶瓷为Si3N4-TiC-Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相 当。③氮化硅一氧化铝复合陶瓷。乂称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4-13?203,硬度 可1800HV,抗弯强度可达1.20GPa,最适合切削高温合金和铸铁。 金属陶瓷
金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、比等构成。金属陶 瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于陶瓷材料,小于硬质合金;化学稳 定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，耐氧化和扩散，具冇较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。
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