刀具
機械製造中用於切削加工的工具
刀具是機械製造中用於切削加工的工具，又稱切削工具。絕大多數的刀具是機用的，但也有手用的。由於機械製造中使用的刀具基本上都用於切削金屬材料，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為木工刀具。還有特別應用的一類刀具，用於地質勘探、打井、礦山鑽探，稱為礦山刀具。
刀具的發展在人類進步的歷史上佔有重要的地位。中國早在公元前28～前20世紀，就已出現黃銅錐和紫銅的錐、鑽、刀等銅質刀具。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，與現代的扁鑽和鋸已有些相似之處。然而，刀具的快速發展是在18世紀後期，伴隨蒸汽機等機器的發展而來的。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。有關麻花鑽的發明最早的文獻記載是在1822年，但直到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具鋼。1898年，美國的泰勒和．懷特發明高速工具鋼。1923年，德國的施勒特爾發明硬質合金。在採用合金工具鋼時，刀具的切削速度提高到約8米/分，採用高速鋼時，又提高兩倍以上，到採用硬質合金時，又比用高速鋼提高兩倍以上，切削加工出的的工件表面質量和尺寸精度也大大提高。由於高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，美國開始在車刀上採用可轉位刀片，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於陶瓷刀具的專利。1972年，美國通用電氣公司生產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，瑞典山特維克鋼廠取得用化學氣相沉積法，生產碳化鈦塗層硬質合金刀片的專利。1972年，美國的邦沙和拉古蘭發展了物理氣相沉積法，在硬質合金或高速鋼刀具表面塗覆碳化鈦或氮化鈦硬質層。表面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：加工各種外表面的刀具包括車刀、刨刀、銑刀、外表面拉刀和銼刀等；孔加工刀具包括鑽頭、擴孔鑽、鏜刀、鉸刀和內表面拉刀等；螺紋加工刀具包括絲錐、板牙、自動開合螺紋切頭、螺紋車刀和螺紋銑刀等；齒輪加工刀具包括滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪和拉刀等；切斷刀具包括鑲齒圓鋸片、帶鋸、弓鋸、切斷車刀和鋸片銑刀等等。此外，還有組合刀具。按切削運動方式和相應的刀刃形狀，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、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面相同或接近相同的形狀，如成形車刀、成形刨刀、成形銑刀、拉刀、圓錐鉸刀和各種螺紋加工刀具等；特殊刀具加工一些特殊工件，如：齒輪，花鍵等用的刀具。如、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪刨刀和錐齒輪銑刀盤等。
高速銑削工藝在汽車、飛機和模具製造業中應用廣泛。由於銑刀高速旋轉時刀具各部分承受的離心力已遠遠超過切削力本身的作用而成為刀具的主要載荷，而離心力達到一定程度時會造成刀具變形甚至破裂，因此研究高速銑刀的安全性技術對發展高速銑削技術有著極其重要的意義。
20世紀90年代初德國就開始了對高速銑刀的安全性技術研究，並制訂了DIN6589-1《高速銑刀的安全要求》標準草案，規定了高速銑刀失效的試驗方法和標準，在技術上提出了高速銑刀設計、製造和使用的指導性意見，規定了統一的安全性檢驗方法。該標準草案已成為各國高速銑刀安全性的指導性文件。
2．1 高速銑刀的安全失效形式與試驗方法
標準草案規定了高速切削的速度界限，超過該速度后離心力將成為銑刀的主要載荷，必須採用安全技術。在刀具直徑與高速切削範圍關係圖中，曲線以上區域為該標準規定的銑刀必須經過安全檢驗的高速切削範圍：對於直徑d1≤32mm的單件刀具（整體或焊接刀具），其切削速度超過10000m/mm為高速切削範圍；對於直徑d1>32mm的裝配式機夾刀具，高速切削範圍為線段BC以上區域。高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型銑刀的安全試驗方法也不同。對於機夾可轉位銑刀，有兩種安全試驗方法：一種方法是在1.6倍最大使用轉速下進行試驗，刀具的永久性變形或零件的位移不超過0.05mm；另一種方法是在2倍於最大使用轉速下試驗，刀具不發生破裂（包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體的爆裂等）。而對於整體式銑刀，則必須在2倍於最大使用轉速條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。
2．2 高速銑刀強度計算模型
高速刀具在離心力的作用下是否發生失效的關鍵在於刀體的強度是否足夠、機夾刀的零件夾緊是否可靠。當把離心力作為主要載荷計算刀體強度時，由於刀具形狀的複雜性，用經典力學理論計算得出的結果誤差很大，常常不能滿足安全性設計的要求。為了在刀具設計階段對其結構強度在離心力作用下的受力和變形進行定性和定量的分析，可通過有限元方法計算不同轉速下的應力大小，模擬失效過程和改進設計方案。高速銑刀有限元計算模型中包括刀體、刀體座、刀片和夾緊螺釘。首先計算刀體（包括螺釘、刀片等零件質量）的彈性變形，再對分離出的刀座作詳細分析，把所獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體；然後由切出的刀座、刀片、螺釘及無質量的摩擦副組成刀片夾緊系統的模型，進行夾緊的可靠性分析。有限元模型能模擬刀片在刀座里的傾斜、滑動、轉動以及螺釘在夾緊時的變形，可計算出在不同轉速下刀片位移和螺釘受力的大小。
凹磨（HollowGrind：
於刀面兩側各挖除一個凹槽，因其容易加工及設計，故市面上許多工廠刀皆是此一種研磨方式。最大的優點便是經此研磨後會形成一個非常薄的刀刃，而越薄的刀刃切削能力越好。其缺點為：越薄的刀刃越脆弱。它可以切、削較硬的物體或組織，但卻不適合用以在料理食物時砍劈的動作，因刀身的縱切面為非線性，故無法切的太深。凹磨的刀子皆不建議用於砍劈動作上，因其刀刃相對的較脆弱。其最大的優點便是增加刀刃的切削能力，尤其是在刀面不夠寬闊時使用（德國Puma刀廠算出若刀背有3.5mm厚，那麼刀面至少要有20mm寬才能有相當的切削砍劈能力。若不夠寬的刀子便要以Hollowground的方式來彌補。）。早期的剃頭刀便是用凹磨。鑿刀磨法、片刃研磨（ChiselGrind）：刀面只有一面研磨。優點有四：1.易於加工：一面研磨故只需其它研磨方式的一半加工，且不需太過精密，因此省時、省工、省錢。2.易於研磨：除非嚴重的損傷，否則只需研磨一面即可，且研磨技術不必像其它研磨方式一般的高超。3.刀刃堅固：只單邊開刃，故刀刃角度大（約30-45度），刀身厚。4.節省材料：在早期錘打制刀時代，此種研磨方式不需像其它研磨方式一般要削去多餘的鋼材，可節省最多的鋼材耗費。台灣少數民族的刀子便是鑿刀磨法。缺點有三：1.無法準確的切削：拿鑿刀磨法及其它雙邊研磨的刀子來切蘋果時你便會發現，雙面研磨的刀子可以精準的將蘋果平分切成兩半，而鑿刀磨法的刀子則會隨著研磨的角度而〔斜〕出去。2.無法穿刺的太深：鑿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許多的阻礙點。舉例而言，你從未見過鑿刀研磨的匕首、短劍或穿孔錐吧！3.研磨面錯誤：右手刀的研磨方式為（從刀背向下俯視）刀面的左側為平坦，右側才研磨？左手刀剛好相反。然因東、西方傳統性刀面展示上的不同及小刀用法習慣的差異，使得西方刀廠所做出之鑿刀研磨大多為左手刀（西方人習慣將刀尖向左的展示刀子，將左刀面視為正面？東方人則將刀尖向右展示刀子，將右刀面視為正面），在刀刃向外切削必須將刀子切削的角度加大才能平順的使用。美國也發現了這個問題，雖然大多數的刀廠依舊堅持〔左手刀〕，但如GTKnives已將其鑿刀磨法的刀子改為右手刀。日式的鑿刀磨法的刀子則全是右手刀。PhillHartsfield是使用鑿刀開刃之名家，而Emerson的CQC-6則為美國第一把使用鑿刀開刃的折刀。平面磨法（FlatGrind/VGrind）：為兼顧銳利及堅固的一種研磨方式。從刀背開始便一直平磨至刀鋒處，因此具有一相當堅固的刀背及刀脊。此種研磨方式相較於上述兩種而言為較難以研磨的形式，因在研磨過程中許多鋼材需被磨掉。刀刃處非常薄而銳利，適用於各式野外用刀，是非常優良的研磨方式。因從刀的縱切面來看成一V型，故又稱為V型磨法。騎兵磨法（SaberGrind）：與平面磨法相似，都是刀面兩側無凹槽的設計。不同在於平面磨法是從刀背處便一直研磨至刀刃，而騎兵磨法則是從一半開始研磨。亦具有相當優異的切削砍劈能力。早期騎兵刀便是此一研磨形式，故稱為騎兵磨法。圓弧磨法（ConvexGrind）：又稱為MoranGrind，因BillMoran是將此一研磨方式發展的西方刀匠大師。此種研磨方式不像上述的四種磨法。別種研磨法都是在刀子兩側形成一斜面或凹槽，而圓弧磨法則是在刀鋒上方形成一雙凸的圓弧（因長的像文蛤，故日本又稱為蛤刃）。此種研磨方式就如便如平面磨法一般的堅固，凹磨一般的銳利。為非常難造的一種研磨方式。其缺點為若你沒有Flat-BeltGrinder，那麼刀刃鈍時便很難自己研磨。
製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、衝擊韌性和 化學惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，並不易變形。通常當材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強度高時，衝擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強度和衝擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強度和衝擊韌性，以及良好的可加工性，現代仍是應用最廣的刀具材料，其次是硬質合金。聚晶立方氮化硼適用於切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等；聚晶金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只用作銼刀、板牙和絲錐等工具。硬質合金可轉位刀片已用化學氣相沉積塗覆碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁硬層或複合硬層。正在發展的物理氣相沉積法不僅可用於硬質合金刀具，也可用於高速鋼刀具，如鑽頭、滾刀、絲錐和銑刀等。硬質塗層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁，使刀具在切削時的磨損速度減慢，塗層刀片的壽命與不塗層的相比大約提高1～3倍以上。
對刀具進行塗層是機械加工行業前進道路上的一大變革，它是在刀具韌性較高的基體上塗覆一層、二層乃至多層具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的綜合性能。未塗層高速鋼的硬度僅為62~68HRC（760~960HV），硬質合金的硬度僅為89~93.5HRA（1300~1850HV）；而塗層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。在工業生產中，使用塗層刀具可以提高加工效率、加工精度、延長壽命、降低成本。近30餘年來，刀具塗層技術迅速發展，塗層刀具得到了廣泛應用。塗層高速鋼刀具和塗層硬質合金刀具已佔全部刀具使用總量的50%以上。在西歐，由於資源匱乏和機械加工的高效化，以及數控技術進步及難加工材料增多，塗層刀具正以驚人的發展速度被動式向前挺進。西方工業發達國家使用的塗層刀具占可轉位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的數控機床所用的刀具中80%左右是塗層刀具。
塗層刀具的優點
由於表面塗層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未塗層的刀具相比，塗層刀具允許採用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。由於塗層材料與被加工材料之間的摩擦係數較小，故塗層刀具的切削力小於未塗層的刀具。用塗層刀具加工，零件的已加工表面質量較好。由於塗層刀具的綜合性能良好，故塗層硬質合金刀片有較好的通用性，一種塗層硬質合金牌號的刀片具有較的使用範圍。中國的刀具塗層技術與工業發達國家相比尚有很大差距，塗層刀具的數量也差得很遠，大致只佔全部刀具的20%。其中數控機床和加工中心上使用得居多，在普通的非數控機床上則相當少，主要是受到認識問題和價格等因素的影響。因此，在中國，刀具塗層技術的發展和應用都有很多潛在的提升空間。
根據製造業發展的需要，多功能複合刀具、高速高效刀具將成為刀具發展的主流。面對日益增多的難加工材料，刀具行業必須改進刀具材料、研發新的刀具材料和更合理的刀具結構。硬質合金材料及塗層應用增多。細顆粒、超細顆粒硬質合金材料是發展方向；納米塗層、梯度結構塗層及全新結構、材料的塗層將大幅度提高刀具使用性能；物理塗層（PVD）的應用繼續增多。新型刀具材料應用增多。陶瓷、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料的韌性進一步增強，應用場合日趨增多。切削技術快速發展。高速切削、硬切削、干切削繼續快速發展，應用範圍在迅速擴大。
刀具材料
刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素，對於加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，衝擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應克服的一個關鍵。對於石墨刀具，普通的TiAlN塗層可在選材上適當選擇韌性相對較好一點的，也就是鈷含量稍高一點的；對於金剛石塗層石墨刀具，可在選材上適當選擇硬度相對較好一點的，也就是鈷含量稍低一點的；
刀具的幾何角度
石墨刀具選擇合適的幾何角度，有助於減小刀具的振動，反過來，石墨工件也不容易崩缺；1．前角，採用負前角加工石墨時，刀具刃口強度較好，耐衝擊和摩擦的性能好，隨著負 前角絕對值的減小，后刀面磨損面積變化不大，但總體呈減小趨勢，採用正前角加工時，隨著前角的增大，刀具越鋒利，但刀具刃口強度被削弱，反而導致后刀面磨損加劇。負前角加工時，切削阻力大，增大了切削振動，採用大正前角加工時，刀具磨損嚴重，切削振動也較大。一般粗加工應選擇較小前角刀具或負前角刀具。2．后角，如果后角的增大，則刀具刃口強度降低，后刀面磨損面積逐漸增大。刀具后角過大后，切削振動加強。后角越小，彈性恢復層同后刀面的摩擦接觸長度越大，它是導致切削刃及后刀面磨損的直接原因之一。從這個意義上來看，增大后角能減小摩擦，可以提高已加工表面質量和刀具使用壽命。3．螺旋角，螺旋角較小時，同一切削刃上同時切入石墨工件的刃長最長，切削阻力最大，刀具承受的切削衝擊力最大，因而刀具磨損、銑削力和切削振動都是最大的。當螺旋角去較大時，銑削合力的方向偏離工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削衝擊加劇，因而刀具磨損、銑削力和切削振動也都有所增大。因此，刀具角度變化對刀具磨損、銑削力和切削振動的影響是前角、后角及螺旋角綜合產生的，所以在選擇方面一定要多加註意。通過對石墨材料的加工特性做了大量的科學測試，PARA刀具優化了相關刀具的幾何角度，從而使得刀具的整體切削性能大大提高。
刀具的塗層
金剛石塗層刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦係數低等優點，現階段金剛石塗層是石墨加工刀具的選擇，也最能體現石墨刀具優越的使用性能；金剛石塗層的硬質合金刀具的優點是綜合了天然金剛石的硬度和硬質合金的強度及斷裂韌性；但是在國內金剛石塗層技術還處於起步階段，還有成本的投入都是很大的，所以金剛石塗層暫時不會有太大發展。不過我們可以在普通刀具的基礎上，優化刀具的角度，選材等方面和改善普通塗層的結構，在某種程度上是可以在石墨加工當中應用的。金剛石塗層刀具和普通塗層刀具的幾何角度有本質的區別，所以在設計金剛石塗層刀具時，由於石墨加工的特殊性，其幾何角度可適當放大，容削槽也變大，也不會降低其刀具鋒口的耐磨性；對於普通的TiAlN塗層，雖然比無塗層的刀具其耐磨有顯著的提高，但比起金剛石塗層來說，在加工石墨時它的幾何角度應適當放小，以增加其耐磨性。刀具表面處理技術又有了新發展，移動菠菜發布的國外最新消息：利用固態的納米結構硼原子團對刀具表面進行改性處理，可較大幅度提高刀具壽命。對金剛石塗層來說，世界上眾多的塗層公司均投入大量的人力和物力來研究開發相關塗層技術，但是為止，國外成熟而又經濟的塗層公司僅僅限於歐洲；PARA作為一款優秀的石墨加工刀具，同樣採用世界最先進的塗層技術對刀具進行表面處理，以確保加工壽命的同時，保證刀具的經濟實用。
刀具刃口的強化
刀具刃口鈍化技術是一個還不被人們普遍重視，而又是十分重要的問題。金剛石砂輪刃磨后的硬質合金刀具刃口，存在程度不同的微觀缺口(即微小崩刃與鋸口)。石墨高速切削加工刀具性能和穩定性提出了更高的要求，特別是金剛石塗層刀具在塗層前必須經過刀口的鈍化處理，才能保證塗層的牢固性和使用壽命。刀具鈍化目的就是解決上述刃磨后的刀具刃口微觀缺口的缺陷，使其鋒值減少或消除，達到圓滑平整，既鋒利堅固又耐用的目的。
加工條件
選擇適當的加工條件對於刀具的壽命有相當大的影響。1．切削方式（順銑和逆銑），順銑時的切削振動小於逆銑的切削振動。順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零，刀具切入工件后不會出現因切不下切屑而造成的彈刀現象，工藝系統的剛性好，切削振動小；逆銑時，刀 具的切入厚度從零增加到最大，刀具切入初期因切削厚度薄將在工件表面划擦一段路徑，此時刃口如果遇到石墨材料中的硬質點或殘留在工件表面的切屑顆粒，都將引起刀具的彈刀或顫振，因此逆銑的切削振動大；2．吹氣（或吸塵）和浸漬電火花液加工，及時清理工件表面的石墨粉塵，有利於減小刀具二次磨損，延長刀具的使用壽命，減少石墨粉塵對機床絲杠和導軌的影響；3．選擇合適的高轉速及相應的大進給量。綜述以上幾點，刀具的材料、幾何角度、塗層、刃口的強化及機械加工條件，在刀具的使用壽命中扮演者不同的角色，缺一不可，相輔相成的。一把好的石墨刀具，應具備流暢的石墨粉排屑槽、長的使用壽命、能夠深雕刻加工、能節約加工成本。
1、刃口磨損。改進辦法：提高進給量；降低切削速度；使用更耐磨的刀片材質；使用塗層刀片。2、崩碎。改進辦法：使用韌性更好的材質；使用刃口強化的刀片；檢查工藝系統的剛性；加大主偏角。3、熱變形。改進辦法：降低切削速度；減少進給；減少切深；使用更具熱硬性的材質。4、切深處破損。改進辦法：改變主偏角；刃口強化；更換刀片材質。5、熱裂紋。改進辦法：正確使用冷卻液；降低切削速度；減少進給；使用塗層刀片。6、積屑。改進辦法：提高切削速度；提高進給；使用塗層刀片或金屬陶瓷刀片；使用冷卻液；使刃口更鋒利。7、月牙窪磨損。改進辦法：降低切削速度；降低進給；使用塗層刀片或金屬陶瓷刀片；使用冷卻液。8、斷裂。改進辦法：使用韌性更好的材質或槽型；減少進給；減少切深；檢查工藝系統的剛性。注意：通常當后刀面磨損達0.7毫米時，應更換刀片刃口；精加工時最大磨損量為0.04毫米。
滾壓刀能在常溫下利用金屬的塑性變形，使工件表面的微觀不平度輾平從而達到改變表層結構、機械特性、形狀和尺寸的目的。因此這種方法可同時達到光整加工及強化兩種目的，是磨削、車削無法做到的。無論用何種金屬加工刀具加工，在零件表面總會留下微細的凸凹不平的刀痕，出現交錯起伏的峰谷現象，一定的壓力，使工件表層金屬產生塑性流動，填入到原始殘留的低凹波谷中，而達到工件表面粗糙值降低。由於被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細，形成緻密的纖維狀，並形成殘餘應力層，硬度和強度提高，從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性。滾壓是一種無切削的塑性加工方法。
滾壓刀具沒有刀刃，加工技術安全、方便，基本能應用在所有的金屬加工行業，能精確控制精度，幾大優點：
1．提高表面粗糙度，粗糙度基本能達到Ra≤0.08µm左右。2．修正圓度，橢圓度可≤0.01mm。3．提高表面硬度，使受力變形消除，硬度提高HV≥4°4．加工後有殘餘應力層，提高疲勞強度提高30%。5．提高配合質量，減少磨損，延長零件使用壽命，但零件的加工費用反而降低。應用優勢高效——幾秒就可將表面加工至需要的表面精度，效率是磨削的5-20倍、車削的10-50倍以上。
優質——一次進給實現Ra0.05-0.1um的鏡面精度；並使表面得到擠壓硬化，耐磨性、疲勞強度提高；消除了表面受力塑性變形，尺寸精度能相對長期保持穩定。
