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，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。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，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。
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，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1～3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。
涂层的切削性能明显优于TiN涂层。加工Inconel178的刀具寿命尽管PVD涂层显示出很多优点，但一些涂层如Al2O3和金刚石则倾向于采用CVD涂层技术。Al2O3是一种耐热和抗氧化很强的涂层，它能够将刀具体和切削产生的热量隔离开。通过CVD涂层技术，还可以综合各种涂层的优点，以达到最佳的切削效果，满足切削加工的需要。
例如。TiN具有低摩擦特性，可减少涂层组织的损耗，TiCN可降低后刀面的磨损，TiC涂层硬度较高，Al2O3涂层具有优良的隔热效果等。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大提高。车削硬度在HRC45~55的工件，低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。近年来，一些厂家应用改进涂层材料等方法，使涂层刀具的性能有了极大的提高。如美、日的一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的涂层刀片，硬度高达HV4500~4900，可在498.56m/min的速度时切削硬度HRC47~58的模具钢。在车削温度高达1500~1600°C时仍然硬度不降低、不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的4倍，而成本只有30%，且附着力好。陶瓷材料 陶瓷刀具材料随着其组成结构和压制工艺的不断改进，特别是纳米技术的进展，使得陶瓷刀具的增韧成为可能，在不久的将来，陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后引起切削加工的第3次革命。
陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高强度(抗弯强度为750~1000MPa)，耐磨性好，化学稳定性好，抗粘结性能良好，摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1200°C时硬度达到HRA80。正常切削时，陶瓷刀具耐用度极高，切削速度可比硬质合金提高2~5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可切削硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁等。常用的有：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。
氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形，但它的强度和韧性很低，为改善其韧性，提高耐冲击性能，通常可加入ZrO或TiC和TiN的混合物，另一种方法是加入纯金属或碳化硅晶须。氮化硅基陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中TiC为主要的硬质相(0.5~2µm)，它们通过Co或Ti粘结剂结合起来，是一种与硬质合金相似的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性、强力切削时的韧性以及低速大进给时的强度。
近年通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，其抗弯强度和韧性均有了很大提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了其应用范围。立方氮化硼(CBN) CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC≥50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。
CBN含量高的复合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。
陶瓷和PCBN刀具切削淬硬钢的残余应力在切削灰铸铁和淬硬钢时，可选择陶瓷刀具或CBN刀具，为此，应进行成本效益和加工质量分析，以确定选择哪一种。图3为Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰铸铁后刀面磨损情况，PCBN刀具材料切削性能优于Al2O3和Si3N4。但在淬硬钢干式切削时，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的热化学稳定性，但却不及PCBN刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于HRC60以下和采用小进给量时，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适于切削硬度高于HRC60的工件，尤其在自动化加工和高精度加工时更为适用。
除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损，此外，在小切深时还应考虑采用PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
超硬刀具的刀片结构及几何参数刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度而言，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大刀尖圆弧半径刀片粗加工，精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8µm左右。淬硬钢切屑为红而酥软的缎带状，脆性大，易折断，不粘结，淬硬钢切削表面质量高，一般不产生积屑瘤，但切削力较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以，刀具宜采用负前角(go≥-5°)和较大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取决于机床刚性，一般取45°~60°，以减少工件和刀具颤振。超硬刀具切削参数及对工艺系统的要求切削参数的选择工件材料硬度越高，其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工的适宜切削速度范围为80～200m/min，常用范围为10～150m/min；采用大切深或强力断续切削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm之间。加工表面粗糙度低的工件，可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r之间，具体数值视表面粗糙度值和生产率要求而定。当表面粗糙度Ra=0.3～0.4µm时，采用超硬刀具进行硬车削比用磨削经济得多。
对工艺系统的要求除选择合理的刀具外，采用超硬刀具进行硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬切削。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳状态，现有的设备就可采用超硬刀具进行硬车削。超硬刀具在硬车削中的应用采用超硬刀具进行硬车削，此项技术经过十几年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业为例，说明超硬刀具在生产中的推广应用情况。
轧辊加工行业国内许多大型轧辊企业已使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益7平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50%～80%。如武汉钢铁公司轧辊厂对硬度为HS60～80的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每车1根轧辊，节约电力、工时费四百多元，节约刀具费近一百元，取得了巨大的经济效益。如我校用FD22金属陶瓷刀具车削HRC58～63的86CrMoV7淬硬钢轧辊时(Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(刀尖后刀面磨损带的最大宽度VBmax=0.2mm)，满足了以车代磨的要求。工业泵加工行业目前国内碴浆泵生产厂的70%～80%已采用超硬刀具。
碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是HRC63～67的Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削这种材料，所以只得采用退火软化后粗加工，然后再淬火加工的工艺。采用超硬刀具以后，顺利实现了一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量工时和电力。
汽车加工行业在汽车、拖拉机等行业中的曲轴、凸轮轴、传动轴的加工，刃具、量具的加工和设备维修中，经常会碰到淬硬工件的加工难题。如我国某机车车辆厂，在设备维修中需要对轴承内圈进行加工，轴承内圈(材料GCr15钢)的硬度为HRC60，内圈直径为f285mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需2h才能磨好；而先用超硬刀具，仅用45min就加工成一个内环。
结语：经过多年的研究和探索，我国在超硬刀具方面取得了很大的进展，但是，超硬刀具在生产中的应用还不广泛。原因主要有以下几个方面：生产企业、操作者对采用超硬刀具进行硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；认为刀具成本太高。硬车削最初的刀具成本比普通硬质合金刀具高(如PCBN比普通硬质合金贵十多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削还低，且带来的效益比普通硬质合金要好得多；对超硬刀具加工机理研究不够；超硬刀具加工的规范不足以指导生产实践。因此，除了对超硬刀具加工机理进行深入研究外，还必须加强超硬刀具加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种高效、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。
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