[科普中国]-刀具

基本简介

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之处。然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的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，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速工具钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的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，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。1

刀具分类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、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工刀具包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮和拉刀等；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，刀具又可分为三类：通用刀具如车刀、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；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、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；特殊刀具加工一些特殊工件，如：齿轮，花键等用的刀具。如、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。1

安全技术高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。1

20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。1

2．1 高速铣刀的安全失效形式与试验方法

标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。1

2．2 高速铣刀强度计算模型

高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。1

研磨形式凹磨（HollowGrind：

于刀面两侧各挖除一个凹槽，因其容易加工及设计，故市面上许多工厂刀皆是此一种研磨方式。最大的优点便是经此研磨后会形成一个非常薄的刀刃，而越薄的刀刃切削能力越好。其缺点为：越薄的刀刃越脆弱。它可以切、削较硬的物体或组织，但却不适合用以在料理食物时砍劈的动作，因刀身的纵切面为非线性，故无法切的太深。凹磨的刀子皆不建议用于砍劈动作上，因其刀刃相对的较脆弱。其最大的优点便是增加刀刃的切削能力，尤其是在刀面不够宽阔时使用（德国Puma刀厂算出若刀背有3.5mm厚，那么刀面至少要有20mm宽才能有相当的切削砍劈能力。若不够宽的刀子便要以Hollowground的方式来弥补。）。早期的剃头刀便是用凹磨。凿刀磨法、片刃研磨（ChiselGrind）：刀面只有一面研磨。优点有四：1.易于加工：一面研磨故只需其它研磨方式的一半加工，且不需太过精密，因此省时、省工、省钱。2.易于研磨：除非严重的损伤，否则只需研磨一面即可，且研磨技术不必像其它研磨方式一般的高超。3.刀刃坚固：只单边开刃，故刀刃角度大（约30-45度），刀身厚。4.节省材料：在早期锤打制刀时代，此种研磨方式不需像其它研磨方式一般要削去多余的钢材，可节省最多的钢材耗费。台湾原住民的刀子便是凿刀磨法。 缺点有三：1.无法准确的切削：拿凿刀磨法及其它双边研磨的刀子来切苹果时你便会发现，双面研磨的刀子可以精准的将苹果平分切成两半，而凿刀磨法的刀子则会随着研磨的角度而〔斜〕出去。2.无法穿刺的太深：凿刀磨法在刀尖上造成了太多的斜面，使得其在穿刺上形成了许多的阻碍点。举例而言，你从未见过凿刀研磨的匕首、短剑或穿孔锥吧！3.研磨面错误：右手刀的研磨方式为（从刀背向下俯视）刀面的左侧为平坦，右侧才研磨?左手刀刚好相反。然因东、西方传统性刀面展示上的不同及小刀用法习惯的差异，使得西方刀厂所做出之凿刀研磨大多为左手刀（西方人习惯将刀尖向左的展示刀子，将左刀面视为正面?东方人则将刀尖向右展示刀子，将右刀面视为正面），在刀刃向外切削必须将刀子切削的角度加大才能平顺的使用。美国也发现了这个问题，虽然大多数的刀厂依旧坚持〔左手刀〕，但如GTKnives已将其凿刀磨法的刀子改为右手刀。日式的凿刀磨法的刀子则全是右手刀。PhillHartsfield是使用凿刀开刃之名家，而Emerson的CQC-6则为美国第一把使用凿刀开刃的折刀。平面磨法（FlatGrind/VGrind）：为兼顾锐利及坚固的一种研磨方式。从刀背开始便一直平磨至刀锋处，因此具有一相当坚固的刀背及刀脊。此种研磨方式相较于上述两种而言为较难以研磨的形式，因在研磨过程中许多钢材需被磨掉。刀刃处非常薄而锐利，适用于各式野外用刀，是非常优良的研磨方式。因从刀的纵切面来看成一V型，故又称为V型磨法。骑兵磨法（SaberGrind）：与平面磨法相似，都是刀面两侧无凹槽的设计。不同在于平面磨法是从刀背处便一直研磨至刀刃，而骑兵磨法则是从一半开始研磨。亦具有相当优异的切削砍劈能力。早期骑兵刀便是此一研磨形式，故称为骑兵磨法。圆弧磨法（ConvexGrind）：又称为MoranGrind，因BillMoran是将此一研磨方式发展的西方刀匠大师。此种研磨方式不像上述的四种磨法。别种研磨法都是在刀子两侧形成一斜面或凹槽，而圆弧磨法则是在刀锋上方形成一双凸的圆弧（因长的像文蛤，故日本又称为蛤刃）。此种研磨方式就如便如平面磨法一般的坚固，凹磨一般的锐利。为非常难造的一种研磨方式。其缺点为若你没有Flat-BeltGrinder，那么刀刃钝时便很难自己研磨。1

刀具材料选择制造刀具的材料必须具有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。1

制作工艺涂层技术对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC（760~960HV），硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。在工业生产中，使用涂层刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本。近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在西欧，由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。1

涂层刀具的优点

由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具的切削力小于未涂层的刀具。用涂层刀具加工，零件的已加工表面质量较好。由于涂层刀具的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较的使用范围。中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距，涂层刀具的数量也差得很远，大致只占全部刀具的20%。其中数控机床和加工中心上使用得居多，在普通的非数控机床上则相当少，主要是受到认识问题和价格等因素的影响。因此，在中国，刀具涂层技术的发展和应用都有很多潜在的提升空间。1

切削刀具根据制造业发展的需要，多功能复合刀具、高速高效刀具将成为刀具发展的主流。面对日益增多的难加工材料，刀具行业必须改进刀具材料、研发新的刀具材料和更合理的刀具结构。硬质合金材料及涂层应用增多。细颗粒、超细颗粒硬质合金材料是发展方向；纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层将大幅度提高刀具使用性能；物理涂层（PVD）的应用继续增多。新型刀具材料应用增多。陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料的韧性进一步增强，应用场合日趋增多。切削技术快速发展。高速切削、硬切削、干切削继续快速发展，应用范围在迅速扩大。1

刀具磨损磨损原因刀具材料

刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。对于石墨刀具，普通的TiAlN涂层可在选材上适当选择韧性相对较好一点的，也就是钴含量稍高一点的；对于金刚石涂层石墨刀具，可在选材上适当选择硬度相对较好一点的，也就是钴含量稍低一点的；1

刀具的几何角度

石墨刀具选择合适的几何角度，有助于减小刀具的振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺；1．前角，采用负前角加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好，随着负 前角绝对值的减小，后刀面磨损面积变化不大，但总体呈减小趋势，采用正前角加工时，随着前角的增大，刀具越锋利，但刀具刃口强度被削弱，反而导致后刀面磨损加剧。负前角加工时，切削阻力大，增大了切削振动，采用大正前角加工时，刀具磨损严重，切削振动也较大。一般粗加工应选择较小前角刀具或负前角刀具。2．后角，如果后角的增大，则刀具刃口强度降低，后刀面磨损面积逐渐增大。刀具后角过大后，切削振动加强。后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩擦，可以提高已加工表面质量和刀具使用寿命。3．螺旋角，螺旋角较小时，同一切削刃上同时切入石墨工件的刃长最长，切削阻力最大，刀具承受的切削冲击力最大，因而刀具磨损、铣削力和切削振动都是最大的。当螺旋角去较大时，铣削合力的方向偏离工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削冲击加剧，因而刀具磨损、铣削力和切削振动也都有所增大。因此，刀具角度变化对刀具磨损、铣削力和切削振动的影响是前角、后角及螺旋角综合产生的，所以在选择方面一定要多加注意。通过对石墨材料的加工特性做了大量的科学测试，PARA刀具优化了相关刀具的几何角度，从而使得刀具的整体切削性能大大提高。1

刀具的涂层

金刚石涂层刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低等优点，现阶段金刚石涂层是石墨加工刀具的选择，也最能体现石墨刀具优越的使用性能；金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性；但是在国内金刚石涂层技术还处于起步阶段，还有成本的投入都是很大的，所以金刚石涂层暂时不会有太大发展。不过我们可以在普通刀具的基础上，优化刀具的角度，选材等方面和改善普通涂层的结构，在某种程度上是可以在石墨加工当中应用的。金刚石涂层刀具和普通涂层刀具的几何角度有本质的区别，所以在设计金刚石涂层刀具时，由于石墨加工的特殊性，其几何角度可适当放大，容削槽也变大，也不会降低其刀具锋口的耐磨性；对于普通的TiAlN涂层，虽然比无涂层的刀具其耐磨有显著的提高，但比起金刚石涂层来说，在加工石墨时它的几何角度应适当放小，以增加其耐磨性。刀具表面处理技术又有了新发展，移动菠菜发布的国外最新消息：利用固态的纳米结构硼原子团对刀具表面进行改性处理，可较大幅度提高刀具寿命。对金刚石涂层来说，世界上众多的涂层公司均投入大量的人力和物力来研究开发相关涂层技术，但是为止，国外成熟而又经济的涂层公司仅仅限于欧洲；PARA作为一款优秀的石墨加工刀具，同样采用世界最先进的涂层技术对刀具进行表面处理，以确保加工寿命的同时，保证刀具的经济实用。1

刀具刃口的强化

刀具刃口钝化技术是一个还不被人们普遍重视，而又是十分重要的问题。金刚石砂轮刃磨后的硬质合金刀具刃口，存在程度不同的微观缺口(即微小崩刃与锯口)。石墨高速切削加工刀具性能和稳定性提出了更高的要求，特别是金刚石涂层刀具在涂层前必须经过刀口的钝化处理，才能保证涂层的牢固性和使用寿命。刀具钝化目的就是解决上述刃磨后的刀具刃口微观缺口的缺陷，使其锋值减少或消除，达到圆滑平整，既锋利坚固又耐用的目的。1

加工条件

选择适当的加工条件对于刀具的寿命有相当大的影响。1．切削方式（顺铣和逆铣），顺铣时的切削振动小于逆铣的切削振动。顺铣时的刀具切入厚度从最大减小到零，刀具切入工件后不会出现因切不下切屑而造成的弹刀现象，工艺系统的刚性好，切削振动小；逆铣时，刀 具的切入厚度从零增加到最大，刀具切入初期因切削厚度薄将在工件表面划擦一段路径，此时刃口如果遇到石墨材料中的硬质点或残留在工件表面的切屑颗粒，都将引起刀具的弹刀或颤振，因此逆铣的切削振动大；2．吹气（或吸尘）和浸渍电火花液加工，及时清理工件表面的石墨粉尘，有利于减小刀具二次磨损，延长刀具的使用寿命，减少石墨粉尘对机床丝杠和导轨的影响；3．选择合适的高转速及相应的大进给量。综述以上几点，刀具的材料、几何角度、涂层、刃口的强化及机械加工条件，在刀具的使用寿命中扮演者不同的角色，缺一不可，相辅相成的。一把好的石墨刀具，应具备流畅的石墨粉排屑槽、长的使用寿命、能够深雕刻加工、能节约加工成本。1

改进办法1、刃口磨损。改进办法：提高进给量；降低切削速度；使用更耐磨的刀片材质；使用涂层刀片。2、崩碎。改进办法：使用韧性更好的材质；使用刃口强化的刀片；检查工艺系统的刚性；加大主偏角。3、热变形。改进办法：降低切削速度；减少进给；减少切深；使用更具热硬性的材质。4、切深处破损。改进办法：改变主偏角；刃口强化；更换刀片材质。5、热裂纹。改进办法：正确使用冷却液；降低切削速度；减少进给；使用涂层刀片。6、积屑。改进办法：提高切削速度；提高进给；使用涂层刀片或金属陶瓷刀片；使用冷却液；使刃口更锋利。7、月牙洼磨损。改进办法：降低切削速度；降低进给；使用涂层刀片或金属陶瓷刀片；使用冷却液。8、断裂。改进办法：使用韧性更好的材质或槽型；减少进给；减少切深；检查工艺系统的刚性。注意：通常当后刀面磨损达0.7毫米时，应更换刀片刃口；精加工时最大磨损量为0.04毫米。1

加工原理滚压刀能在常温下利用金属的塑性变形，使工件表面的微观不平度辗平从而达到改变表层结构、机械特性、形状和尺寸的目的。因此这种方法可同时达到光整加工及强化两种目的，是磨削、车削无法做到的。无论用何种金属加工刀具加工，在零件表面总会留下微细的凸凹不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。滚压是一种无切削的塑性加工方法。1

内锥型滚压刀滚压刀具没有刀刃，加工技术安全、方便，基本能应用在所有的金属加工行业，能精确控制精度，几大优点：1

外锥型滚压刀1．提高表面粗糙度，粗糙度基本能达到Ra≤0.08µm左右。2．修正圆度，椭圆度可≤0.01mm。3．提高表面硬度，使受力变形消除，硬度提高HV≥4°4．加工后有残余应力层，提高疲劳强度提高30%。5．提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用反而降低。应用优势高效——几秒就可将表面加工至需要的表面精度，效率是磨削的5-20倍、车削的10-50倍以上。1

通孔型滚压刀优质——一次进给实现Ra0.05-0.1um的镜面精度；并使表面得到挤压硬化，耐磨性、疲劳强度提高；消除了表面受力塑性变形，尺寸精度能相对长期保持稳定。1

盲孔型滚压刀经济——无需大型设备的资金、占地、耗电、废渣处理等投入；无需专业的技工投入。方便——可装夹在任何旋转与进给设备上，无需专业培训就可加工出镜面精度。环保——没有切屑（保护环境）、低能耗。安全——无切削滚压刀具没有刀刃。滚压头分为普通车床专用的滚压头和深孔钻镗床专用深孔滚压头，以上是普通车床专用的滚压头，这是深孔钻镗床专用的滚压头1