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机床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。
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。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zhuanli。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zhuanli。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,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*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*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。
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。
全球制造业每年的切削加工费用,达到4000亿美元以上,其中刀具费用为200亿美元左右。发达国家制造业近年来大量采用现代高效切削刀具来提高劳动生产率,每年为制造业节约成本达1000亿美元,远远高于在刀具上的投入。所以,各国都把发展现代高效刀具,作为提高制造业竞争力的重要手段。“切削刀具在加工过程中是生产力,不是消耗品”这个观念,在发达国家已形成共识,切削刀具消费在制造业成本中的比重达到3%~4%。而中国制造业,多数企业仍依靠廉价劳动力作为降低成本的主要手段,而较少关注通过改进加工手段提高效率来节省费用,所以中国制造业的刀具消费水平普遍较低,仅占制造成本的1%~2%。
切削刀具和机床,是制造技术体系的两个子系统,既独立发展,又相辅相成,不断推动制造业劳动生产率的提高。目前,伴随着现代数字化制造技术的蓬勃发展,以“高精度、高效率、高可靠性和专用化”为特点的现代高效切削刀具,迅速取代传统标准刀具,作为数字化制造系统的最终执行部件,在加工中发挥着“临门一脚”的关键作用。尽管其价格大大高于传统标准刀具。但由于其优良的性能,使加工质量和效率大幅度提高,从而使制造业提高劳动生产率和降低成本,获得更大的收益。
另一个值得关注的事实是:在德、美、日等制造业强国,现代数控机床和高效刀具互相协调、平衡发展的规律十分明显,目的是为制造业提供一个充分发挥装备潜力的最佳配置和解决方案。在发达国家,经济稳定发展的正常年份,每年的刀具消费规模,大体稳定在机床消费的1/2左右。例如,机床年消费额在60亿美元时,刀具消费一般都在30亿美元上下。只有在经济衰退的年份,由于投资规模的收缩,这个比例才会发生变化。但是,发达国家这种机床工具协调发展的规律性在中国并未出现。特别是最近10年,中国制造业发展中机床消费一马当先,把刀具消费远远抛在后面,这种奇怪的现象已经成为中国机床工具行业发展的特点。如:2010年,中国机床消费达到了285亿美元的创纪录水平。同年刀具消费为50亿美元,刀具消费仅为机床消费的18%。大大低于发达国家50%左右的水平。