一、CNC加工刀具概念

刀具，作为机械制造领域中不可或缺的切削工具，又被称作铝合金刀具。其概念广泛，不仅涵盖刀具本身，还包括磨具等切削辅助工具。尽管手用刀具存在，但机械制造中更常见的是机用刀具，特别是用于金属切削的刀具，因此“刀具”一词通常被理解为金属切削刀具。而专门用于切削木材的刀具，则被特指为木工刀具。

1. CNC加工刀具概览
   在机械制造的广阔领域中，CNC加工刀具以其独特地位崭露头角。这类刀具，通常具有高硬度，是模具制造中的关键角色。它们不仅提升了加工效率，更为制造业的自动化和智能化贡献了力量。

二、刀具的发展历程

刀具在人类历史长河中扮演着不可或缺的角色。早在公元前28至前20世纪的中国，就已出现了黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具，这标志着刀具的雏形开始形成。随着战国后期渗碳技术的掌握，铜质刀具得以诞生，其钻头和锯的设计已初现现代扁钻和锯的影子。然而，刀具的真正飞跃式发展，是在18世纪后期蒸汽机等机器的兴起之后。

三、刀具的革新历史

在机械制造的漫长历史长河中，刀具的革新一直是推动行业发展的关键力量。自1868年英国人穆舍特首次制出含钨的合金工具钢以来，刀具的性能和效率得到了显著提升。随后，在1898年，美国科学家泰勒和怀特又共同发明了高速钢，这种材料的出现使得刀具的切削速度大幅提高。到了1923年，德国的施勒特尔进一步发展了动漫下载技术，为刀具的制造和设计带来了新的可能。

随着合金工具钢和高速钢的广泛应用，刀具的切削速度从最初的约8米/分逐渐提高，甚至达到了每分钟数十米甚至上百米。同时，工件表面的质量和尺寸精度也得到了显著提升。然而，高速钢和铝合金的高昂价格也促使了刀具结构的创新，如焊接和机械夹固式结构的出现，既节约了成本又保证了刀具的性能。
1949至1950年的刀具革新
在这段时间里，美国首次在车刀上采用了可转位刀片，这一创新设计随后迅速推广至铣刀及其他多种刀具。
陶瓷与聚晶人造金刚石刀具的革新
在1938年，德国德古萨公司取得了陶瓷刀具的专利，开启了非金属刀具材料的新篇章。时至1972年，美国通用电气公司进一步推动了刀具技术的进步，成功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的出现，使得刀具能够以更高的速度进行切削，为工业领域带来了革命性的变革。
1969年瑞典山特维克钢厂的重大突破
在1969年，瑞典山特维克钢厂脱颖而出，成功获得了采用化学气相沉积法生产碳化钛涂层铝合金刀片的专利。这一里程碑式的技术创新，为刀具行业带来了新的发展动力，推动了刀具技术的进一步演进。
1972年物理气相沉积法的革新
继1969年的化学气相沉积法突破后，1972年又迎来了新的技术飞跃。美国科学家邦沙和拉古兰发展出了物理气相沉积法，这一方法允许在铝合金或高速钢刀具的表面，均匀地涂覆一层碳化钛或氮化钛的硬质层。这一创新技术巧妙地将基体材料的高强度与韧性，与表层的高硬度和耐磨性相结合，从而显著提升了复合材料的切削性能。
1. 刀具的多样化分类
刀具是工件加工中不可或缺的工具，其种类繁多，按工件加工表面的形式可分为五大类。首先是用于加工各种外表面的刀具，如车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等。其次是孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铣刀和内表面拉刀等。此外，还有螺纹加工工具，如丝锥、板牙、自动开合螺纹切头等。齿轮加工刀具则涵盖滚刀、插齿刀、剃齿刀等。最后，还有切断刀具，包括各种锯片和车刀等。这些刀具在工业生产中发挥着各自独特的作用。
2. 刀具的进一步分类
刀具不仅可以根据工件加工表面的形式进行分类，还可以按照切削运动方式和相应的刀刃形状进一步划分为三类。首先是常规刀具，如车刀、刨刀、铣刀（需排除成形刀具）、镗刀、钻头、扩孔钻、锯等。这些刀具在切削过程中，其刀刃的形状与加工工件的断面保持一致或相近。其次是成形刀具，其刀刃形状与被加工工件的断面相同或非常接近，例如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铣刀以及各种螺纹加工刀具。最后是展成刀具，这类刀具主要用于齿轮的齿面或类似工件的加工，采用展成法进行切削，例如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。
3. 还有一种别具一格的刀具，它以水为切削介质，即激光水切割技术。这种技术能高效地完成切削任务，例如，电脑cpu散热风扇的旋转部分等复杂形状的加工，都能一次性完美呈现。曾有实例证明，为某航空公司制作的样板，其形状与散热风扇的旋转部分一模一样，且一次性加工成型，效果卓越。

1. 刀具结构
   刀具的结构一般由装夹部分和工作部分共同组成。在整体结构刀具中，装夹部分和工作部分都直接铸造成刀体；而对于镶齿结构刀具，其工作部分，即刀齿或刀片，则是通过镶嵌的方式安装在刀体上。

刀具的装夹部分主要分为带孔和带柄两大类。带孔刀具，如圆柱形铣刀和套式面铣刀，其内孔设计用于套装在机床的主轴或心轴上，通过轴向键或端面键来传递扭转力矩。而带柄刀具，如车刀和刨刀，其柄部通常设计为矩形，以便于夹持和传递扭矩。此外，还有圆锥柄刀具，其锥度用于承受轴向推力，并通过摩擦力来传递扭矩。圆柱柄则常见于较小的麻花钻和立铣刀等刀具，夹紧时产生的摩擦力用于传递扭转力矩。值得注意的是，许多带柄刀具的柄部采用低合金钢制造，而工作部分则通过高速钢对焊而成。

1. 刀具工作部分的结构
   刀具的工作部分，即产生和处理切屑的部分，是刀具的关键构成。它涵盖了刀刃、断碎或卷拢切屑的结构、排屑或容储空间，以及切削液通道等核心要素。某些刀具，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀，其工作部分即为切削部分。而钻头、扩孔钻、铣刀、内表面拉刀和丝锥等，其工作部分则包含切削与校准双重功能，旨在切除切屑并修光已加工表面，同时引导刀具进行精准加工。

刀具工作部分的结构可归纳为三种类型：整体式、焊接式和机械夹固式。整体结构是在刀体上直接打造出切削刃，简单而耐用。焊接结构则通过将刀片与钢质刀体钎焊，实现强度与韧性的结合。机械夹固结构则更为灵活，包括刀片直接夹固和钎焊好的刀头夹固两种方式，适用于不同材质和加工需求。铝合金材质的刀具常采用焊接或机械夹固结构，以确保材料的强度与耐腐蚀性；而瓷刀具则多采用机械夹固方式，以确保其硬度与耐磨性。

接下来，我们将探讨刀具材料应具备的基本性能。

1. 高硬度
   刀具材料的硬度是其发挥切削作用的关键。它必须能够抵御高温条件下的磨损，从而保持锋利的几何形状。不同刀具材料的高硬度要求也不同。例如，碳素工具钢，尽管其切削性能相对较差，但在室温条件下的硬度也需达到62HRC以上。而高速钢和硬质合金，其硬度则分别达到63～70HRC和89～93HRA，以满足更严苛的切削需求。
2. 足够的强度与韧性
   在切削过程中，刀具切削部分需承受巨大的切削力和冲击力。例如，车削45钢时，若切削深度ap为4毫米、进给量f为0.5毫米/转，刀片将面临约4000牛顿的切削力挑战。因此，刀具材料必须具备充足的强度与韧性。通常，我们通过抗弯强度（以帕为单位）来衡量材料的强度，而韧性则以冲击韧度（以焦耳/平方米为单位）来评估，它体现了材料抵御脆性断裂和崩刃的能力。
3. 高耐磨性和耐热性

刀具的耐磨性，即其抵抗磨损的能力，是一个至关重要的性能指标。一般来说，刀具材料的硬度越高，其耐磨性也相应地越好。此外，耐磨性还与金相组织中的化学成分、硬质点的特性、数量、颗粒大小及其分布状况紧密相关。金相组织中碳化物的含量越多、颗粒越细小且分布越均匀，刀具的耐磨性便越高。同时，耐热性也是刀具材料不可或缺的性能之一。它主要体现在高温环境下保持高硬度，即所谓的红硬性。高温硬度越高，耐热性越好，这意味着刀具材料在高温时具有更强的抗塑性变形能力和抗磨损能力。相反，耐热性不佳的刀具材料会因高温导致硬度显著下降，进而产生快速磨损甚至塑性变形，最终丧失其切削效能。
4. 优异的导热性

刀具材料的导热性，通常以热导率来衡量，其单位为W/（m·k）。热导率越高，表示该材料的导热性能越好。在切削过程中，优异的导热性能够确保切削产生的热量迅速传导，进而降低切削部分的温度，有效减轻刀具的磨损。特别是在进行断续切削或加工导热性能不佳的工件时，这种优异的导热性显得尤为重要。
5. 良好的工艺性与经济性

刀具材料的工艺性对其制造过程至关重要。为了确保顺利生产，材料应具备良好的可加工性，涵盖锻压、焊接、切削、热处理以及磨削等多个方面。同时，经济性也是评估和推广新型刀具材料时不可忽视的考量因素。在选取刀具材料时，应充分考虑本国资源，力求降低成本，提高竞争力。
6. 抗粘结性
在高温高压的工作环境中，工件与刀具材料分子间可能发生相互吸附，导致粘结现象。因此，刀具材料需要具备良好的抗粘结性，以防止这一问题的出现。
7. 化学稳定性

化学稳定性指的是刀具材料在高温环境下不易与周围的介质发生化学反应。这一特性对于刀具来说至关重要，因为它能够确保刀具在苛刻的工作条件下保持其原有的性能。

四、刀具涂层技术

为了进一步提升刀具的性能，现代工艺中常采用化学气相沉积法为铝合金可转位刀片涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝等硬质层或复合层。这种涂层技术能够有效阻碍化学扩散和热传导，从而显著降低刀具在切削过程中的磨损速度。相较于未涂层的刀片，涂层刀片的寿命通常能够提高1至3倍以上。此外，正在发展的物理气相沉积法也为高速钢刀具如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等的涂层提供了新的可能。

图 铝用涂层

五、如何选择刀具

在选择刀具时，必须综合考虑多种因素，包括工件材料、刀具材料、加工性质（粗加工、精加工）等，以做出合理决策。通常，我们所说的刀具角度，是指制造和测量时所采用的标注角度。但在实际工作中，由于刀具安装位置和切削运动方向的变化，实际工作角度可能与标注角度有所不同，但通常差异很小。

制造刀具的材料需要具备高温硬度、耐磨性、抗弯强度、韧性以及化学惰性等多方面的性能。同时，良好的工艺性也是不可或缺的。此外，刀具材料的选择还应考虑其变形倾向。

在一般情况下，材料的硬度与耐磨性成正比，而抗弯强度与冲击韧性也密切相关。然而，材料硬度过高可能会降低其抗弯强度和冲击韧性。高速钢作为一种应用广泛的刀具材料，因其具有出色的抗弯强度、冲击韧性以及良好的可加工性而备受推崇。铝合金则是一种重要的备选材料。

对于特定类型的材料，如高硬度淬硬钢和硬铸铁，聚晶立方氮化硼是合适的刀具选择；而不含铁的金属、合金、塑料和玻璃钢等材料则适合采用聚晶金刚石刀具进行切削。此外，碳素工具钢和合金工具钢主要被用于制造锉刀、板牙和丝锥等工具。

六、加工铝材时遇到的问题及解决方法

在加工铝材时，可能会遇到粘刀的问题。这主要是由于纯铝的化学性质活泼，容易与刀具材料发生化学反应。为了解决这一问题，可以采取优化刀具材料选择、改善切削条件或对铝材进行表面处理等措施。

1. 铝材料质地偏软，高温环境下容易粘刀；
2. 铝材不耐高温，容易产生裂纹；
3. 切削液的选择对加工过程至关重要：油性切削液润滑性能优越，而水溶性切削液则侧重于冷却；干切削方法成本较高；
4. 加工纯铝时，应选用专为铝加工设计的立铣刀，其特点包括正前角、锋利的刃口、大排屑槽以及45度或55度的螺旋角；
5. 被加工件与数控刀具的材料间存在较大的亲和力，可能影响加工质量；
6. 前刀面的粗糙度也会影响刀具对软性材料的加工效果。

建议：根据机床条件的差异，从低要求到高要求，可依次选用高速钢、涂层抛光硬质合金、PCD聚晶金刚石和单晶金刚石等不同材质的刀具。
7. 在不同的加工条件下，切削液和油雾润滑的选择至关重要。对于低速加工，切削液能够有效避免问题；而在高速加工时，油雾润滑则能显著改善效果。此外，铝合金的加工也具有其独特性，需要专为铝加工设计的刀具。

七、刀具的未来发展方向

随着高温、高压、高速环境以及腐蚀性流体介质中工作的零件日益增多，难加工材料的应用也变得愈发广泛。同时，切削加工的自动化水平和精度要求也在不断提高。为了应对这些挑战，刀具的发展将集中在几个关键方向上：一是研发和应用新型刀具材料；二是进一步提升刀具的气相沉积涂层技术，以解决硬度与强度之间的平衡问题；三是优化可转位刀具的结构；四是提高刀具的制造精度，缩小产品质量差异，并实现刀具使用的最优化。