刀具是機械(xiè)製造中用於切削加工的工具,又(yòu)稱切削工具。廣義的切削工具(jù)既包括刀具,還包括磨具。絕大(dà)多數(shù)的刀具是(shì)機(jī)用的,但也有手用的。由於機械製造中(zhōng)使用的刀具(jù)基本上都用於切削金屬材料,所(suǒ)以"刀(dāo)具"一詞一般就理解為金屬切削刀具。切(qiē)削(xuē)木材用的刀具則稱為木工刀具。
刀具的發展在人類進步的曆史上占有重(chóng)要的地位。中國(guó)早在(zài)公元前28~前20世紀,就已出現黃銅錐和紫(zǐ)銅(tóng)的錐、鑽、刀等銅質刀具。戰國後(hòu)期(qī)(公元前三世(shì)紀),由於掌握了滲(shèn)碳技術,製成了銅質(zhì)刀具。當時的鑽頭和(hé)鋸,與現代的扁鑽和鋸已有些相(xiàng)似之處。
然而,刀具的快速發展(zhǎn)是在18世紀後(hòu)期,伴隨蒸汽機(jī)等機器的發展而來的。1783年,法國(guó)的勒內首先製出銑刀(dāo)。1792年,英國的莫茲利製出絲錐和板牙。有關麻花鑽的發(fā)明早文獻記載是在1822年,但直到1864年才作(zuò)為商品生產。
那時的刀具是用整體高碳工具鋼製造的,許用的切削速度(dù)約(yuē)為5米/分(fèn)。1868年,英國的穆舍特製成含鎢的合金工具鋼。1898年,美國的泰(tài)勒(lè)和.懷特發(fā)明高速鋼。1923年,德國的施勒特爾發明硬質合金。
在采用合金工具鋼時,刀具的切削速度提高(gāo)到約8米/分,采用高速鋼時,又提高兩倍以上,到采用(yòng)硬質合金時,又比用高速鋼提高兩倍以上,切削加工出的工件表麵質(zhì)量和尺寸精度也大大提(tí)高。
由(yóu)於高(gāo)速鋼和硬質合金的價格比較昂貴,刀具出現焊接和機械夾固式結構。1949~1950年間,美國開始在車刀上采用可轉位刀片,不久即(jí)應用在銑刀(dāo)和其(qí)他刀具上。1938年,德國德古薩公司取(qǔ)得關於陶瓷刀具的專利。1972年,美國通用電氣公(gōng)司生產了聚(jù)晶人造金剛石和聚晶立方氮化硼刀片。這些非金屬刀具材(cái)料可使刀(dāo)具以更高的速度切削。
1969年,瑞典山特維克鋼廠取得用化學(xué)氣(qì)相沉積(jī)法(fǎ),生產碳化鈦塗層硬質合金刀(dāo)片的專利。1972年,美國的邦沙(shā)和拉古蘭發展(zhǎn)了物理氣相沉積法,在(zài)硬質合金或(huò)高速鋼刀具表麵塗(tú)覆碳化鈦或(huò)氮化鈦硬質層。表麵(miàn)塗層方法把基體材料(liào)的高強度和韌性,與表層的高硬度和(hé)耐磨性結合起來,從而使這種複合材料具有(yǒu)更好的切削性能。
刀具按工件加工表麵的形式可分為五類。加工(gōng)各種外表麵的刀具,包括車刀、刨刀、銑刀、外(wài)表麵拉刀和銼刀等;孔加工刀具(jù),包括鑽頭、擴孔鑽、鏜刀、鉸刀和內表麵拉刀等;螺紋加工工具,包括絲(sī)錐、板牙、自動開合螺紋切頭、螺紋車(chē)刀和螺紋銑刀等;齒輪加工刀具,包括滾刀、插齒刀、剃齒(chǐ)刀、錐齒輪(lún)加工刀具等;切斷(duàn)刀具,包括鑲齒圓鋸片(piàn)、帶鋸、弓鋸、切斷車刀和鋸片銑刀等等。此外,還有(yǒu)組合刀具。
按(àn)切削運動方式和相應的刀刃形狀,刀具又可分為(wéi)三類。通用(yòng)刀具,如車刀、刨刀(dāo)、銑(xǐ)刀(不包括成形的車刀、成形刨刀和(hé)成形銑刀)、鏜刀、鑽(zuàn)頭、擴孔鑽、鉸(jiǎo)刀和鋸等;成形刀具(jù),這類刀具(jù)的(de)刀刃具(jù)有與被(bèi)加工工件斷麵相同或接近相同的形狀,如成(chéng)形車刀、成形刨(páo)刀、成形銑刀、拉刀、圓錐鉸刀和各種螺紋加工刀具(jù)等;展成刀具是用展(zhǎn)成法加工齒輪(lún)的齒麵或類似的工件,如滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪(lún)刨刀和(hé)錐齒輪銑刀盤等。
各種(zhǒng)刀具的結(jié)構都(dōu)由裝夾部分和工作部分組成。整體結構刀具的裝夾部分和工作部分都做在刀體上;鑲齒結構刀具的工作部分(刀齒或刀片)則鑲裝在刀體上。
刀具的裝夾部(bù)分有帶孔和帶柄兩類。帶孔刀具依靠內(nèi)孔套裝在機床的主軸或心軸上,借助軸向鍵或(huò)端麵鍵傳遞扭轉力矩,如圓柱形銑刀、套式(shì)麵銑刀等。
帶柄的刀具通常有矩形柄、圓柱柄和圓錐柄三種。車刀、刨刀等一般為矩形柄;圓錐柄靠錐度承受軸向(xiàng)推力,並借助摩擦(cā)力傳遞扭矩;圓柱柄一般適用於(yú)較小的麻花(huā)鑽、立銑(xǐ)刀(dāo)等(děng)刀具,切(qiē)削時借助夾緊時所產生的摩擦力傳(chuán)遞扭轉(zhuǎn)力矩。很多帶柄的刀(dāo)具的柄部用低(dī)合金鋼製成,而(ér)工作部分則用高速鋼把兩部分對焊(hàn)而成。
刀具的工作部(bù)分(fèn)就是產生和處理切屑的部分,包括(kuò)刀刃、使切屑斷(duàn)碎或卷攏的結構、排屑或容儲切屑的(de)空間(jiān)、切削液的通道等結構要素。有的(de)刀具的工作部分就是切削部分,如車(chē)刀、刨(páo)刀、鏜刀和銑(xǐ)刀等;有的刀具的工作部分則包(bāo)含切削部分和(hé)校準部分(fèn),如鑽頭、擴孔(kǒng)鑽、鉸(jiǎo)刀、內表麵拉刀和絲錐等。切削部分(fèn)的作用是用刀刃切除切屑,校準部分的作用是修光已切削(xuē)的加(jiā)工表麵和引導刀具。
刀具工作部分的結構有整體式、焊接式和機械夾固式三種。整(zhěng)體結構是在刀(dāo)體上做(zuò)出切削(xuē)刃;焊接結構是把刀片釺(qiān)焊到鋼的刀體上;機械夾固結構又有兩種,一種是把刀片夾固在刀體上,另一種是把釺焊好的刀頭夾固在刀體上。硬(yìng)質合金刀具一般(bān)製成(chéng)焊接結構或機(jī)械夾固結構;瓷刀具都(dōu)采用機械夾固結構。
在選擇刀(dāo)具的角度時,需要考慮多種因素的(de)影響(xiǎng),如工件材料、刀具材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)等,必須根(gēn)據具體情況合理選擇。通常(cháng)講的刀具角度,是指製造和(hé)測量用的標注(zhù)角度,在實際工作時,由於刀具的安裝位(wèi)置不同和切削運動方向的改變,實際工作的角度和(hé)標注的角度有所不同,但通(tōng)常相差很小,製造(zào)刀具的材料必須具有很高的高(gāo)溫硬度和耐磨(mó)性,必要的(de)抗彎強度、衝擊韌性和化學惰性,良好的工藝(yì)性(切削(xuē)加工、鍛造和熱處理(lǐ)等),並不(bú)易變形。
通常當材料硬度高時,耐磨性也高;抗彎強(qiáng)度高時(shí),衝擊韌性也(yě)高。但材料硬度越高,其抗彎強度和衝擊韌性就越低。高速鋼因(yīn)具有很(hěn)高的抗彎強度和衝擊韌性,以及良好的可加工(gōng)性,現代仍是應用廣的(de)刀具材料,其次是硬(yìng)質合金。
聚晶(jīng)立(lì)方氮化硼(péng)適用(yòng)於切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等;聚晶金(jīn)剛石適用於切削不含鐵的金屬,及合金、塑料和玻璃鋼等;碳素工具鋼和合金工具鋼現(xiàn)在隻(zhī)用作銼刀、板牙和絲錐等工具。
硬質合金可轉位刀(dāo)片現在都已用化學氣相沉積法塗覆碳化鈦、氮(dàn)化鈦、氧化鋁硬層或複合(hé)硬層。正在發(fā)展的物理氣相沉積法不僅(jǐn)可用於硬質合金(jīn)刀具,也可用於高速鋼刀具,如鑽頭、滾刀、絲錐(zhuī)和銑刀等。硬質塗層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁,使刀具在切削(xuē)時的磨損速度減慢,塗層刀片的壽命與不塗層的相(xiàng)比大約提高1~3倍以上(shàng)
由於在高溫(wēn)、高壓、高速下,和在腐蝕(shí)性流體介質中工作(zuò)的零件,其應用的難加工材料越來越多,切削加工的自動化水平和對加工精度的要求越來越高。為了適(shì)應這種情況,刀具的發展(zhǎn)方向將是發展和應用新的刀具(jù)材料;進一步發展刀具的氣(qì)相沉(chén)積塗層技術,在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的塗層,更(gèng)好地解決(jué)刀具材料硬度與強度間的矛盾;進一步發展可轉位刀具(jù)的結構;提高刀具的製造精度,減(jiǎn)小產品質量的差別。