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    切削刀具的發(fā)展及綜述

    發(fā)布時(shí)間:2018-08-22  閱讀:7526次   字號:  
          刀具是機械制造中用于切削加工的工具,又稱(chēng)切削工具。廣義的切削工具既包括數控刀具,還包括磨具。絕大多數的刀具是機用的,但也有手用的。由于機械制造中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料,所以“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(chēng)為木工刀具。
      刀具的發(fā)展在人類(lèi)進(jìn)步的歷史上占有重要的地位。中國早在公元前28~前20世紀,就已出現黃銅錐和紫銅的錐、鉆、刀等銅質(zhì)刀具。戰國后期(公元前三世紀),由于掌握了滲碳技術(shù),制成了銅質(zhì)刀具。當時(shí)的鉆頭和鋸,與現代的扁鉆和鋸已有些相似之處。然而,刀具的快速發(fā)展是在18世紀后期,伴隨蒸汽機等機器的發(fā)展而來(lái)的。1783年,法國的勒內首先制出銑刀。1792年,英國的莫茲利制出絲錐和板牙。有關(guān)麻花鉆的發(fā)明最早的文獻記載是在1822年,但直到1864年才作為商品生產(chǎn)。那時(shí)的刀具是用整體高碳工具鋼制造的,許用的切削速度約為5米/分。1868年,英國的穆舍特制成含鎢的合金工具鋼。1898年,美國的泰勒和。懷特發(fā)明高速鋼。1923年,德國的施勒特爾發(fā)明硬質(zhì)合金。在采用合金工具鋼時(shí),刀具的切削速度提高到約8米/分,采用高速鋼時(shí),又提高兩倍以上,到采用硬質(zhì)合金時(shí),又比用高速鋼提高兩倍以上,切削加工出的工件表面質(zhì)量和尺寸精度也大大提高。
      由于高速鋼和硬質(zhì)合金的價(jià)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(kāi)始在車(chē)刀上采用可轉位刀片,不久即應用在銑刀和其他刀具上。1938年,德國德古薩公司取得關(guān)于陶瓷刀具的專(zhuān)利。1972年,美國通用電氣公司生產(chǎn)了聚晶人造金剛石和聚晶立方氮化硼刀片。這些非金屬刀具材料可使刀具以更高的速度切削。
      1969年,瑞典山特維克鋼廠(chǎng)取得用化學(xué)氣相沉積法,生產(chǎn)碳化鈦涂層硬質(zhì)合金刀片的專(zhuān)利。1972年,美國的邦沙和拉古蘭發(fā)展了物理氣相沉積法,在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面涂覆碳化鈦或氮化鈦硬質(zhì)層。表面涂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(lái),從而使這種復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為五類(lèi)。加工各種外表面的刀具,包括車(chē)刀、刨刀、銑刀、外表面拉刀和銼刀等;孔加工刀具,包括鉆頭、擴孔鉆、鏜刀、鉸刀和內表面拉刀等;螺紋加工工具,包括絲錐、板牙、自動(dòng)開(kāi)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、剃齒刀、錐齒輪加工刀具等;切斷刀具,包括鑲齒圓鋸片、帶鋸、弓鋸、切斷車(chē)刀和鋸片銑刀等等。此外,還有組合刀具。
      按切削運動(dòng)方式和相應的刀刃形狀,刀具又可分為三類(lèi)。通用刀具,如車(chē)刀、刨刀、銑刀(不包括成形的車(chē)刀、成形刨刀和成形銑刀)、鏜刀、鉆頭、擴孔鉆、鉸刀和鋸等;成形刀具,這類(lèi)刀具的刀刃具有與被加工工件斷面相同或接近相同的形狀,如成形車(chē)刀、成形刨刀、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面或類(lèi)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(pán)等。
      各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)則鑲裝在刀體上。
      帶柄的刀具通常有矩形柄、圓柱柄和圓錐柄三種。車(chē)刀、刨刀等一般為矩形柄;圓錐柄靠錐度承受軸向推力,并借助摩擦力傳遞扭矩;圓柱柄一般適用于較小的麻花鉆、立銑刀等刀具,切削時(shí)借助夾緊時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力傳遞扭轉力矩。很多帶柄的刀具的柄部用低合金鋼制成,而工作部分則用高速鋼把兩部分對焊而成。
      刀具的工作部分就是產(chǎn)生和處理切屑的部分,包括刀刃、使切屑斷碎或卷攏的結構、排屑或容儲切屑的空間、切削液的通道等結構要素。有的刀具的工作部分就是切削部分,如車(chē)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,如鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、內表面拉刀和絲錐等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑,校準部分的作用是修光已切削的加工表面和引導刀具。
      刀具工作部分的結構有整體式、焊接式和機械夾固式三種。整體結構是在刀體上做出切削刃;焊接結構是把刀片釬焊到鋼的刀體上;機械夾固結構又有兩種,一種是把刀片夾固在刀體上,另一種是把釬焊好的刀頭夾固在刀體上。硬質(zhì)合金刀具一般制成焊接結構或機械夾固結構;瓷刀具都采用機械夾固結構。
      刀具切削部分的幾何參數對切削效率的高低和加工質(zhì)量的好壞有很大影響。增大前角,可減小前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形,減小切屑流經(jīng)前面的摩擦阻力,從而減小切削力和切削熱。但增大前角,同時(shí)會(huì )降低切削刃的強度,減小刀頭的散熱體積。
      在選擇刀具的角度時(shí),需要考慮多種因素的影響,如工件材料、刀具材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)等,必須根據具體情況合理選擇。通常講的刀具角度,是指制造和測量用的標注角度在實(shí)際工作時(shí),由于刀具的安裝位置不同和切削運動(dòng)方向的改變,實(shí)際工作的角度和標注的角度有所不同,但通常相差很小。
      制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性,必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學(xué)惰性,良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等),并不易變形。
      通常當材料硬度高時(shí),耐磨性也高;抗彎強度高時(shí),沖擊韌性也高。
      但材料硬度越高,其抗彎強度和沖擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強度和沖擊韌性,以及良好的可加工性,現代仍是應用最廣的刀具材料,其次是硬質(zhì)合金。
      聚晶立方氮化硼適用于切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等;聚晶金剛石適用于切削不含鐵的金屬,及合金、塑料和玻璃鋼等;碳素工具鋼和合金工具鋼現在只用作銼刀、板牙和絲錐等工具。
      硬質(zhì)合金可轉位刀片現在都已用化學(xué)氣相沉積法涂覆碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁硬層或復合硬層。正在發(fā)展的物理氣相沉積法不僅可用于硬質(zhì)合金刀具,也可用于高速鋼刀具,如鉆頭、滾刀、絲錐和銑刀等。硬質(zhì)涂層作為阻礙化學(xué)擴散和熱傳導的障壁,使刀具在切削時(shí)的磨損速度減慢,涂層刀片的壽命與不涂層的相比大約提高1~3倍以上。
      由于在高溫、高壓、高速下,和在腐蝕性流體介質(zhì)中工作的零件,其應用的難加工材料越來(lái)越多,切削加工的自動(dòng)化水平和對加工精度的要求越來(lái)越高。為了適應這種情況,刀具的發(fā)展方向將是發(fā)展和應用新的刀具材料;進(jìn)一步發(fā)展刀具的氣相沉積涂層技術(shù),在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的涂層,更好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾;進(jìn)一步發(fā)展可轉位刀具的結構;提高刀具的制造精度,減小產(chǎn)品質(zhì)量的差別,并使刀具的使用實(shí)現最佳化。

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