刀具(jù)是機械製造中用於切削加工的工具,又稱切(qiē)削工具。廣義的切削工具既包括刀具,還包括(kuò)磨具。絕大多數的刀具是機用的,但也有手(shǒu)用的(de)。由於機械製造中(zhōng)使用的(de)刀具(jù)基本上(shàng)都用於切削金屬材料,所(suǒ)以"刀具"一詞一般就理解為金屬切削刀具。切削木材用的刀具則稱為木(mù)工刀具。
刀具的發展在人類進步的(de)曆史上占有重要(yào)的地位。中國早在公元前28~前20世紀,就已出現黃銅錐和紫銅的錐、鑽、刀等(děng)銅質刀具。戰國後期(公元前三世紀),由於掌握了滲碳技術,製成了銅質刀具。當時的鑽頭和鋸,與現代(dài)的扁鑽和鋸已(yǐ)有些相似之處(chù)。
然而,刀具的(de)快速(sù)發展是在18世紀後期,伴隨蒸汽機等機器的發展而(ér)來的。1783年,法國的勒內首先製出(chū)銑刀。1792年,英國的莫茲利製出絲錐和板牙。有關麻花鑽的發明(míng)早文獻(xiàn)記載是在1822年,但(dàn)直到1864年才作為商品生產。
那時的刀具是用整體高碳工具鋼製造的,許用的(de)切削速度約為5米/分。1868年,英國的穆舍特製成含鎢的合金工(gōng)具鋼。1898年,美(měi)國的泰勒和.懷特發明高速(sù)鋼。1923年,德國的施勒特爾發明硬質合金。
在(zài)采用合金工具鋼時,刀具的切削速度提高到約8米/分,采(cǎi)用高速鋼時,又提高兩倍(bèi)以上,到采用硬質合金時,又(yòu)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高。
由於高速鋼和硬質合金的價(jià)格比較昂貴,刀具出現焊接和(hé)機械夾固式結(jié)構。1949~1950年間,美國開始在車刀上(shàng)采用可轉位(wèi)刀片,不久即應用在銑刀(dāo)和其他刀具上。1938年,德國德古薩公司取得關於陶瓷刀具的專利。1972年,美國(guó)通用電氣公(gōng)司生產了聚晶人(rén)造金剛石和(hé)聚晶立方氮(dàn)化硼刀片。這些非金屬刀具材料可使刀具以更高的速度切削。
1969年(nián),瑞典山特維克鋼(gāng)廠取(qǔ)得用化學氣相沉積法,生(shēng)產碳化鈦(tài)塗層硬質合(hé)金刀片的專利。1972年,美國的邦沙和拉古蘭發展了(le)物理(lǐ)氣相沉積法,在硬質合金或高速鋼刀具表麵塗覆碳化鈦或氮化鈦硬質層。表麵塗層方法把基體材料的高強度和韌性,與表層的高硬度和耐磨性結合起來,從而使這種複合材(cái)料具有更好的(de)切削性能。
刀具按工件加(jiā)工(gōng)表麵的形(xíng)式可分為五(wǔ)類。加工各種外表麵的(de)刀具,包(bāo)括車(chē)刀、刨刀、銑刀、外表麵拉刀和銼刀等(děng);孔加工刀(dāo)具,包括(kuò)鑽頭、擴孔鑽、鏜刀、鉸刀和(hé)內表麵拉刀等;螺紋加工工具,包括絲錐、板牙、自動開合螺紋切頭、螺紋車(chē)刀(dāo)和螺紋銑刀等;齒輪加工刀具,包括滾刀、插齒(chǐ)刀、剃(tì)齒刀、錐(zhuī)齒輪加工刀具等;切斷刀具,包括鑲齒圓鋸片(piàn)、帶鋸、弓鋸、切(qiē)斷車刀(dāo)和鋸(jù)片銑刀等等。此外,還有組合刀(dāo)具。
按切削運動方式(shì)和(hé)相應的刀(dāo)刃形狀,刀具又可分為三類。通用刀具,如車刀、刨刀、銑刀(不包括成形的車刀(dāo)、成形刨刀和成形銑刀)、鏜刀、鑽頭、擴孔鑽、鉸刀和鋸等;成形刀具,這類刀具的刀刃具有與被加工工件斷麵相同或接近相同的形(xíng)狀,如成形車刀、成(chéng)形刨刀、成形銑刀、拉刀、圓錐鉸刀和各種螺紋加工刀具等;展成刀具是用展成法加工齒輪的齒麵(miàn)或類似的工件,如滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪刨刀和錐齒輪銑刀盤等。
各(gè)種刀具的結構都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(piàn))則鑲裝在刀體上。
刀具的裝夾部分有帶孔和帶柄兩類。帶孔刀具依靠內孔套裝在機床的主軸或心軸(zhóu)上,借助軸向鍵或端麵鍵傳(chuán)遞扭轉力矩,如圓柱形(xíng)銑刀、套式麵銑刀等。
帶(dài)柄的刀具(jù)通常有矩形柄、圓柱柄(bǐng)和(hé)圓(yuán)錐柄三種。車(chē)刀、刨刀等一般為(wéi)矩形柄;圓錐柄(bǐng)靠錐度承受軸向推力,並借助摩擦力傳遞扭矩;圓柱柄一般適用於較小的麻花(huā)鑽(zuàn)、立銑刀等刀具,切削時借(jiè)助夾緊(jǐn)時所(suǒ)產生的(de)摩擦力傳遞扭轉力矩。很多帶柄的刀具的柄部用低合金鋼製成(chéng),而(ér)工作部分則用高速(sù)鋼把兩部分對焊而成。
刀具的工作部分就是產生和處理(lǐ)切(qiē)屑的部(bù)分,包括刀刃、使切屑斷碎(suì)或卷攏(lǒng)的結(jié)構(gòu)、排屑或容儲切屑的空間、切削(xuē)液的通道等結構要素。有的刀具的工(gōng)作部分就是切削部(bù)分,如車刀、刨刀、鏜刀和銑刀等;有的刀具的工作部分則包含切削部分和校準部分,如鑽(zuàn)頭、擴孔鑽、鉸(jiǎo)刀、內表麵拉刀和絲錐等。切削部分的作用是用刀(dāo)刃(rèn)切除切屑,校準部分的作用是修光已切削的加(jiā)工表麵和引(yǐn)導刀具。
刀具工作部分的結構有整體(tǐ)式、焊接式和機械夾固(gù)式(shì)三(sān)種。整體結構是在刀體上做出切削刃;焊接結構是把刀片釺焊到鋼的刀(dāo)體上;機械夾(jiá)固結構又有兩種,一種是把刀片夾固在(zài)刀體上,另一種是把釺焊好的刀頭夾固在刀體上。硬質合金(jīn)刀具一般製成焊接結構或機(jī)械(xiè)夾固結構;瓷刀具都采用(yòng)機械夾固結構。
在選擇刀具的角度時(shí),需要考慮多種因素(sù)的影響,如工件材料、刀具材料、加工性(xìng)質(粗、精加工)等,必須根(gēn)據具體情況合理選擇。通常講的刀具角度,是指製造和(hé)測量用的標注角(jiǎo)度,在實際工(gōng)作時,由(yóu)於(yú)刀(dāo)具(jù)的安裝位(wèi)置不(bú)同和切削運動方向的改變,實際(jì)工作的(de)角(jiǎo)度和標注的角度有所不同,但通常(cháng)相差很小,製造刀具的材料必(bì)須具有很高的高溫硬度(dù)和耐磨性,必要的抗彎強度、衝(chōng)擊韌性和(hé)化學惰性,良好的(de)工藝性(切削(xuē)加工、鍛造和熱處理等),並(bìng)不易變(biàn)形(xíng)。
通常當材料硬度高時,耐磨性也高(gāo);抗彎強度高時,衝擊韌性(xìng)也高。但材料硬度越高,其抗(kàng)彎強度(dù)和衝擊韌性就越低。高速鋼因具有很高(gāo)的抗彎強度和衝擊韌性,以(yǐ)及良(liáng)好的可(kě)加工性,現代仍是應用廣的刀具材料,其次(cì)是硬質合金。
聚晶立方氮化硼適用於切削高硬度淬硬鋼和硬(yìng)鑄鐵等;聚晶金剛石適用於切削不含鐵的金屬,及合金(jīn)、塑料和玻璃鋼(gāng)等;碳素(sù)工(gōng)具鋼和合(hé)金工具鋼現在隻用作銼(cuò)刀、板牙和絲錐等工具(jù)。
硬質合金可轉位刀片現在都已用化學氣相(xiàng)沉積法塗覆碳化鈦、氮化鈦(tài)、氧化鋁硬層(céng)或複合硬(yìng)層。正在發展的物理氣相沉積(jī)法不僅可用於硬質合(hé)金刀具,也可用於高速鋼刀具,如鑽(zuàn)頭、滾刀、絲錐和銑刀等。硬質塗層作為(wéi)阻礙化學擴(kuò)散和熱(rè)傳導的障壁,使刀具在切削時的磨(mó)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
由於(yú)在高溫、高壓、高速下,和在腐蝕性(xìng)流體(tǐ)介質中工作的零件,其應用的難加(jiā)工材料越來越多,切削加工的自動化水平和對(duì)加工精度的(de)要求越來(lái)越高。為了適應這種情況(kuàng),刀具的發展(zhǎn)方向將是發展和(hé)應用新的刀具材料;進一步發展刀具(jù)的氣相沉積(jī)塗層(céng)技術,在高韌性高強度的(de)基體(tǐ)上沉積更高硬度的塗層,更(gèng)好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾;進一步發展(zhǎn)可(kě)轉位(wèi)刀具的結構(gòu);提高刀具的製造精度,減小產品(pǐn)質量的差別(bié)。