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刀具又稱切削工具,一般是指是機械製造中用於切削加工的工具,還有特別應用的一類刀具,移動菠菜用於地質、勘探、打井、礦山,則稱為礦山刀具。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。

1 刀具 -歷史和發展

刀具刀具

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.機械製造中用於切削加工的工具,又稱切削工具。廣義的切削工具既包括刀具,還包括磨具。絕大多數的刀具是機用的,但也有手用的。由於機械製造中用的刀具基本上都用於切削金屬材料,「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。 

2 刀具 -安全性技術

刀具刀具

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。 
1、 高速銑刀安全性技術研究的現狀
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。 (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) 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。

刀具刀具

2、提高高速銑刀安全性的措施
結合高速銑刀安全性標準,通過有限元計算模型的分析,為適應安全性要求,可採取以下措施:   
(1)減輕刀具質量,減少刀具構件數,簡化刀具結構由試驗求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質量、刀具構件數和構件接觸面數之間的關係,經比較發現,刀具質量越輕,構件數量和構件接觸面越少,刀具破裂的極限轉速越高。研究發現,用鈦合金作為刀體材料減輕了構件的質量,可提高刀具的破裂極限和極限轉速。但由於鈦合金對切口的敏感性,不適宜製造刀體,因此有的高速銑刀已採用高強度鋁合金來製造刀體。
在刀體結構上,應注意避免和減小應力集中,刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會引起應力集中,降低刀體的強度,因此應盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時,刀體的結構應對稱於迴轉軸,使重心通過銑刀的軸線。刀片和刀座的夾緊、調整結構應儘可能消除游隙,並且要求重複定位性好。目前,高速銑刀已廣泛採用hsk刀柄與機床主軸連接,較大程度地提高了刀具系統的剛度和重複定位精度,有利於刀具破裂極限轉速的提高。此外,機夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數減少的發展趨勢,也有利於刀具強度和剛度的提高。   
(2)改進刀具的夾緊方式   
模擬計算和破裂試驗研究表明,高速銑刀刀片的夾緊方法不允許採用通常的摩擦力夾緊,要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式,或用特殊設計的刀具結構以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致,同時要控制好螺釘的預緊力,防止螺釘因過載而提前受損。對於小直徑的帶柄銑刀,可採用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實現夾緊的高精度和高剛度。   
(3)提高刀具的動平衡性   
提高刀具的動平衡性對提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因為刀具的不平衡量會對主軸系統產生一個附加的徑向載荷,其大小與轉速的平方成正比。設旋轉體質量為m,質心與旋轉體中心的偏心量為e,則由不平衡量引起的慣性離心力F為:   F=emω2=U(n/9549)2   式中:U為刀具系統不平衡量(g·mm),e為刀具系統質心偏心量(mm),m為刀具系統質量(kg),n為刀具系統轉速(r/min),ω為刀具系統角速度(rad/s)。   
由上式可見,提高刀具的動平衡性可顯著減小離心力,提高高速刀具的安全性。因此,按照標準草案要求,用於高速切削的銑刀必須經過動平衡測試,並應達到ISO1940-1規定的G4.0平衡質量等級以上要求。
高速銑刀安全性技術是研究高速刀具的一個重要內容,應加強刀具安全性的定量分析,精確確定影響高速銑刀安全性的微量因素,並從刀具的材料、結構、製造工藝等方面解決好高速銑刀的安全性。

3 刀具 -分類

刀具刀具

刀具按工件加工表面的形式可分為五類:   
1、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;   
2、孔加工刀具,包括鑽頭、擴孔鑽、鏜刀、鉸刀和內表面拉刀等;   
3、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;   
4、齒輪加工刀具,包括滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪加工刀具等;   
5、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:   
1、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; 2、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;   
3、展成刀具是用展成法加工齒輪的齒面或類似的工件,如滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪刨刀和錐齒輪銑刀盤等。

4 刀具 -結構

刀具刀具

待加工表面----工件上有待切除的表面。   
已加工表面----工件上經刀具切削后產生的表面。   
過渡表面(同義詞:加工表面)----工件上由切削刃形成的那部分表面,它將在下一個行程,刀具或工件的下一轉里被切除,或者由下一個切削刃切除。   
前面(同義詞:前刀面)----   刀具上切屑流過的表面。它直接作用於被切削的金屬層,並控制切屑沿其排出的刀面。  後面(同義詞:后刀面)----與工件上切削中產生的表面相對的表面。   
主後面(同義詞:主后刀面)----刀具上同前面相交形成主切削刃的後面。它對著過渡表面。   
副後面(同義詞:副后刀面)----刀具上同前面相交形成副切削刃的後面。它對著已加工表面。   
主切削刃----起始於切削刃上主偏角為零的點,並至少有一段切削刃擬用來在工件上切出過渡表面的那個整段切削刃。  副切削刃----切削刃上除主切削刃以外的刃,亦起始於切削刃上主偏角為零的點,但它向背離主切削刃的方向延伸。 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。

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2、刀具角度參考系
切削平面----通過切削刃選定點與切削刃相切並垂直於基面的平面。   
主切削平面Ps----通過切削刃選定點與主切削刃相切並垂直於基面的平面。它切於過渡表面,也就是說它是由切削速度與切削刃切線組成的平面。   
副切削平面----通過切削刃選定點與副切削刃相切並垂直於基面的平面。   
基面Pt----通過切削刃選定點垂直於合成切削速度方向的平面。在刀具靜止參考系中,它是過切削刃選定點的平面,平行或垂直於刀具在製造、刃磨和測量時適合於安裝或定位的一個平面或軸線,一般說來其方位要垂直於假定的主運動方向。   
假定工作平面----在刀具靜止參考系中,它是過切削刃選定點並垂直於基面,平行或垂直於刀具在製造、刃磨和測量時適合於安裝或定位的一個平面或軸線,一般說來其方位要平行於假定的主運動方向。   
法平面Pn----通過切削刃選定點並垂直於切削刃的平面。
3、刀具角度
前角----前面與基面間的夾角。   
后角----後面與切削平面間的夾角。   
楔角----前面與後面間的夾角。   
主偏角----主切削平面與假定工作平面間的夾角,在基面中測量。   
副偏角----副切削平面與假定工作平面間的夾角,在基面中測量。   
刀尖角----主切削平面與副切削平面間的夾角,在基面中測量。   
刃傾角----主切削刃與基面間的夾角,在主切削平面中測量。

5 刀具 -裝夾部分

有帶孔和帶柄兩類。帶孔刀具依靠內孔套裝在機床的主軸或心軸上,藉助軸向鍵或端面鍵傳遞扭轉力矩,如圓柱形銑刀、套式面銑刀等。   
帶柄的刀具通常有矩形柄、圓柱柄和圓錐柄三種。車刀、刨刀等一般為矩形柄;圓錐柄靠錐度承受軸向推力,並藉助摩擦力傳遞扭矩;圓柱柄一般適用於較小的麻花鑽、立銑刀等刀具,切削時藉助夾緊時所產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製成,而工作部分則用高速鋼把兩部分對焊而成。

6 刀具 -工作部分

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就是產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,如鑽頭、擴孔鑽、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;   
■ 焊接結構是把刀片釺焊到鋼的刀體上;   
■ 機械夾固結構又有兩種,一種是把刀片夾固在刀體上,另一種是把釺焊好的刀頭夾固在刀體上。   
硬質合金刀具一般製成焊接結構或機械夾固結構;瓷刀具都採用機械夾固結構。   
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的塑性變形,減小切屑流經前面的摩擦阻力,從而減小切削力和切削熱。但增大前角,同時會降低切削刃的強度,減小刀頭的散熱體積。   
在選擇刀具的角度時,需要考慮多種因素的影響,如工件材料、刀具材料、加工性質(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,是指製造和測量用的標註角度在實際工作時,由於刀具的安裝位置不同和切削運動方向的改變,實際工作的角度和標註的角度有所不同,但通常相差很小。

7 刀具 -材料

刀具刀具

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現在只用作銼刀、板牙和絲錐等工具。   
硬質合金可轉位刀片現在都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。   
由於在高溫、高壓、高速下,和在腐蝕性流體介質中工作的零件,其應用的難加工材料越來越多,切削加工的自動化水平和對加工精度的要求越來越高。為了適應這種情況,刀具的發展方向將是發展和應用新的刀具材料;進一步發展刀具的氣相沉積塗層技術,在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的塗層,更好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾;進一步發展可轉位刀具的結構;提高刀具的製造精度,減小產品質量的差別,並使刀具的使用實現最佳化。   刀具材料大致分如下幾類:高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。

8 刀具 -塗層技術

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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。現在,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:
(1)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。  
(2)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。   
(3)用塗層刀具加工,零件的已加工表面質量較好。   
(4)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寬的使用範圍。   
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。

9 刀具 -發展趨勢

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。   
1、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。   
2、 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。   
3、 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。

10 刀具 -銑刀加工工藝參數表

刀具刀具

種類及直徑 代木 鋁 鋼 銅   
轉速S 進給F 轉速S 進給F 轉速S 進給F 轉速S 進給F   
立銑刀 0.5 3500 1000 3500 1000 3500 1000 3500 1000   
立銑刀 1 3500 1000 3500 500 3500 500 3500 500   
立銑刀 2 3500 1600 3500 1500 3500 1000 3200 800   
立銑刀 4 3300 2000 3500 2000 3500 1500 3200 1600   
立銑刀 6 3200 2000 3500 2800 3500 1800 3000 2000   
立銑刀 8 3000 2000 3000 2800 2800 1800 2800 2200   
立銑刀 10 2800 2000 2700 2800 2500 1800 2500 2000   
立銑刀 12 2000 2800 2000 3000 1800 2500 2200 2000   
立銑刀 16 1000 2000 1600 2000 1300 2000 1800 1800   
立銑刀 20 900 1200 800 1800 750 1000 700 1000   
立銑刀 25 850 1000 750 1100 700 900 700 950   
球頭立銑刀 0.5 3500 6000 3500 6000 3500 1000 3500 1000   
球頭立銑刀 1 3500 6000 3500 3500 3500 300 3500 3500   
球頭立銑刀 2 3500 6000 3500 1000 3500 600 3500 1000   
球頭立銑刀 3 3500 6000 3500 1000 3500 800 3500 1500   
球頭立銑刀 4 3500 6000 3500 1000 3500 800 3200 1000   
球頭立銑刀 6 3500 6000 3500 800 3500 800 3000 1000   
球頭立銑刀 8 3500 6000 3500 1200 3500 1000 2800 1500   
球頭立銑刀 10 3200 6000(精) 3500 1500(精) 3500 1200(精) 2500 1000(精)

11 刀具 -斷裂原因

1、進料太快   
2、排屑量過高   
3、刃長過長或總長過長   
4、磨損過多.它的解決方法是:   
(1)降低進料速度   

(2)降低每齒的進給率   

(3)固定刀柄較深,使用較短的端銑刀   

(4)早期研磨

(5)使用冷卻液或者降低切削溫度

12 刀具 -影響刀具磨損事項

刀具刀具

1、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;
2、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。   
(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。 (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。

刀具刀具

3、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最佳選擇,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,所以金剛石塗層在近期不會有太大發展,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。   
對金剛石塗層來說,目前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,但是至今為止,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,同樣採用目前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。
4、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。
5、刀具的機械加工條件
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。

13 刀具 -面臨問題

刀具刀具

目前,中國刀具企業通過不斷地學習和戰略規劃,已經在市場上佔據了半壁江山,但是,企業在發展過程中還是凸顯出幾個致命的問題,如果重視不夠、處理不當,將會嚴重影響到企業的發展和前進。
1、抓「低」放「高」
科技技術含量低。現階段,硬質合金刀具在發達國家已佔刀具類型的主導地位,比重高達70%。而高速鋼刀具卻正以每年1%~2%的速度縮減,所佔比例目前已降至30%以下。同時,硬質合金切削刀具在中國也已經成為加工企業所需的主力刀具,被廣泛地應用在汽車及零部件生產、模具製造、航空航天等重工業領域,但中國刀具企業卻盲目地、大量地生產高速鋼刀以及一些低檔標準刀具,完全沒有考慮到市場飽和度和企業所需,最終把具有高附加值、高科技含量的中高端刀具市場「拱手相讓」給國外企業。有資料顯示,中國刀具目前的年銷售額大約為145億元,其中硬質合金刀具所佔的比重不足25%,但國內製造業所需的硬質合金刀具已經佔據刀具的50%以上,這種盲目生產已經嚴重滿足不了國內製造業對硬質合金刀具日益增長的需求,從而形成了中高端市場的真空狀態,最終被國外企業所佔據。產品附加價值低。2007年,中國生產的1.65萬噸硬質合金中,有4500噸用於切削刀具生產上,數量上和日本相當。但製成刀具后的價值僅8億美元,遠不及日本的25億美元,這充分說明國內硬質合金高效刀具的整體生產水平與國外仍有相當大的差距。所以,在國內企業不能滿足市場需求的前提下,製造業的需求就不得不依靠大量進口來解決。有資料顯示,主要外商在中國中高端刀具市場上的銷售年增長率達30%,已超過國產刀具的年均增長水平。
服務與國際不接軌
跨國企業,如德國雄克、日本黛傑、丹麥尤尼莫克等刀具生產企業,在漫長的歷史發展中已經積累了豐富的生產經驗,這也就決定了其服務形式不再是「一鎚子買賣」,而是超越了只提供給客戶刀具的初級銷售階段,根據客戶在生產過程中碰到的刀具方面的問題,及時地提出解決方案,這種把銷售融入到企業生產過程中的高級形式已成為國外企業慣用的銷售方式,這也是為什麼知名刀具企業所生產的產品貴而有市,部分中國企業雖「量大面廣」卻不能贏得客戶的青睞的原因之一。

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2、企業信息化道路閉塞
21世紀是網路化和信息化的時代,企業信息化程度的高低將成為衡量企業現代化發展水平的重要指標。網路化、信息化不僅可以提高企業辦公效率、節約辦公經費、加快反應速度,還可以提供市場信息、輔助企業判斷、打造企業品牌。同時,是否看重、懂得藉助媒體宣傳自己也是中外刀具企業差異化的現象之一。每次在重大展覽會前後或期間,一些國際知名企業都會藉助行業媒體來為自己的企業品牌或新產品做宣傳,企業負責人欣然接受並高度重視媒體記者的採訪,但部分中國企業可能因為「害羞」或者有所顧忌而不願接受媒體的採訪和報道,最終錯過了宣傳產品和企業的「免費」良機。
3、資源浪費嚴重
有資料顯示,2007年,中國生產高速鋼約8萬噸,約佔全球總產量的40%,但是由於沒有準確掌握市場供求信息,使得生產的高速鋼刀具大量過剩,不得不以低價銷售,導致大量刀具生產企業效益低下,還嚴重浪費了大量寶貴的鎢、鉬等稀有資源。同樣,中國年產硬質合金1.65萬噸,也佔全球總產量的40%左右。但是,硬質合金製品中附加值最高的切削刀片產量只有3千餘噸,僅佔20%。從而,一方面造成國內急需的硬質合金刀具供應不足,另一方面也使寶貴的硬質合金資源未得到充分利用。 8萬噸高速鋼和1.65萬噸的硬質合金,最終生產出來的切削刀具的銷售總量卻只佔到全球總量的15%,這也充分地折射出了行業發展的粗放程度和資源浪費的嚴重性。行業人士一致認為,伴隨著中國經濟近30年的高速發展,製造業必將變得更加強大,市場空間將會跟歐美市場一樣廣闊,所以說,中國企業應該從長遠利益為出發點,有條不紊地修鍊內功,尋求突破,早日做大做強,最終「近水樓台先得月」。

14 刀具 -切削刀具的發展趨勢

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。

 

15 刀具 -加工原理

刀具刀具

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,滾壓加工原理:它是一種壓力光整加工,是利用金屬在常溫狀態的冷塑性特點,利用滾壓刀具對工件表面施加一定的壓力,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。
1、內錐型滾壓刀
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:
2、外錐型滾壓刀
(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。  
3、通孔型滾壓刀
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。
4、盲孔型滾壓刀
經濟——無需大型設備的資金、佔地、耗電、廢渣處理等   
投入;無需專業的技工投入。   
方便——可裝夾在任何旋轉與進給設備上,無需專業培訓就可加工出鏡面精度。   
環保——沒有切屑(保護環境)、低能耗。   
安全——無切削滾壓刀具沒有刀刃。   
滾壓頭分為普通車床專用的滾壓頭和深孔鑽鏜床專用深孔滾壓頭,以上是普通車床專用的滾壓頭,這是深孔鑽鏜床專用的滾壓頭。

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