刀具基础知识分析

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1、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刀具，还包括磨具。 绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本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。切削木材用的刀具则称为木工刀具。 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

2、，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。19491950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久

3、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。 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

4、，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，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；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

5、齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。 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)则镶装在刀体上。 刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。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，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。 带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，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两部分对焊而成

6、。 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。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有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、铰刀、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有整体式、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；机械夹固结构又有两种，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

7、具都采用机械夹固结构。 刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，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，必须根据具体情况合理选择。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有所不同，但通常相差很小。 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

8、，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现在只用作锉刀、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

9、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13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来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。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硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。 本文为MM机械技术杂志于去年（2002年）十月至十二月期间，对台湾

10、地区进行2002年度刀具使用调查结果。您可以知道使用者选购刀具时最主要的考虑因素是什么？在用户的心目中，最值得信赖的刀具品牌是什么？ 切削刀具与工具机具有密不可分的关系，虽然台湾机床产业在全球的产值近几年都排名在六、七名左右，然而台湾的刀具产业却规模甚小，难以和欧、美、日等国比较，因此台湾的切削刀具产业在国际的竞争力可说是相当的薄弱。 根据金属工业研究发展中心报告指出，1999年全球金属切削刀具的市场规模为103.5亿美元，预计未来几年仍将维持稳定的成长，到2004年的市场规模可达123.7亿美元，平均年成长率(AAGR)为3.93%。然而各公司之间的竞争将更形激烈，若无一套有效的发展策略，势

11、必将影响各公司的市场占有率 为此，特别针对刀具市场使用者进行调查，透过调查结果概略勾勒出刀具市场普遍使用现况，协助刀具业者面对多变的市场习性，作为在开发新品与市场行销上能有所凭据的蓝图。 企业属性以机械制造业为多数 为了了解不同行业对刀具的需求，本次问卷调查将问卷回函的企业属性概分为几大类，包括机械制造业、零件加工业、模具制造业、汽机车制造业以及其他类别。从刀具调查问卷回收可以发现，回函者以机械制造业占最大多数，占总问卷回收数的62%，其次为模具制造业（16%）及零件加工业（14%）。汽机车制造业回函极少，其他类别则有学校等教育体系的使用者回函。 问卷调查显示，绝大部分的刀具使用者都是兼用多种

12、刀具，但最大宗的采购品项则相当分歧，其中车刀、铣刀、螺丝攻都有厂商做为最大宗采购者。从这里可以看出台湾刀具使用者型态，单一特种加工型态的加工厂仍属少数，因此刀具供应仍以多元为主。 另一个值得注意的现象是，台湾刀具的主要使用者多数为中、小型公司。每月平均采购金额在5万元以下的用户最多，大约占整体回函数的七成，金额愈高的用户比重愈少。结果显示，未来一年内采购刀具的预算，约有七成属于50万元以下。而100300万、500800万，以及800万以上则各占有一成比例。依本次调查的结果，可以大致推断：“80%的采购总额来自20%的客户数量”。 日系品牌具优势 问卷调查显示，问卷回函者目前使用刀具品牌以日本

13、厂牌居多，包括KYOCERA（京瓷）、NACHI（不二越），其他像震虎、台湾精密、苏氏精密等本土厂商也有使用者。 而调查使用者心目最值得采用的前三名，则可发现回函中较多出现日本厂牌刀具，显见日本刀具的品牌魅力获得多数人的信赖。这也是台湾刀具因品牌知名度不及日货，价格难以提高的现况之一。 品牌调查大致归纳为：“车刀”较具知名度的品牌包括APPLICTEC、KYOCERA（京瓷）、三菱、G2、BROTAN、WIDIA、ISCAR、住友、satellram；“铣刀”则以日系的NACHI、OSG、三菱、JABRO、美乐、钴领、COBEL、ETM、COSTA获得认同；一般认为“丝攻”知名度较高的有YAM

14、AWA、NACHI、OSG、ELLO、JABRO、EXACT、台湾精密、JMC、SOMTA；“钻头”则是NACHI、OSG、YAMAWA、SANDIVK、DIXI、苏氏精密的刀具为人所熟知。 选购考量首重品质 影响选购考量因素方面，以刀具精度为最主要考量因素，其次是耐用度，可见品质仍是客户采购的依据。根据后续追踪了解，受访者表示，刀具寿命是使用者判断刀具品质优劣的重要标准。为满足自动化工具机的需求，刀具使用者对刀具的主要要求在于耐用度，不必经常换刀，可大幅缩短非加工时间，提升加工效率。因此如何提高刀具寿命已成为制造商的首要课题，例如刀具涂层技术的不断发展，即是在提高刀具寿命。 而且因应台湾精密

15、加工的需求，现阶段加工技术的发展焦点在开发加工速度更快、效率更高的高速工具机，因此切削刀具亦随着机台技术之发展，而开发出高切削速度及更快进给速率的产品，以配合工具机使用。因此对于切削刀具品质的要求将更为严厉。 在精度以及寿命之后，排名第三的考量因素是价格。由于台制刀具与进口刀具在价格上仍有一定差距，所以价格也是用户考量重点之一。 价格考量份量重 不过价格考量重点并非放在“便宜优先”原则，而是在刀具品质与价格上是否形成高等益比。据受访者表示，采用高品质刀具，虽然投入费用增加，但是带来的切削效率也相对提高，创造的价值超过刀具费用的投入，因而有效降低制造成本。所以对于成本的概念，应采用总成本方式估算，而非单由价格方面作为选购指标。 由台湾山域所提供的资料显示，刀具所占成本约仅3%，但投入生产之中，将会影响生产效率的提高幅度约20%30%之间。机械产品价格不断降低，而质量要求不断提高，刀具的可靠度、耐用度、价格等因素，最终都反映到产品成本之中。所以成本降低的概念，在于运用高效率的刀具，适当增加刀具费用，以提高生产效率与企业竞争力。 事实上，根据从刀具业者方面追踪了解市场现况，可以发觉客户选购刀具时“价格”仍是考量主因，这与问卷所呈现的结果有所差异。其中可能因为问卷回函者不乐意将价格放在品质之前，避免