机械夹具历史
然而，在18世纪后期，随着蒸汽机和其他机器的发展，切割工具得到了快速发展。1783年，法国的勒内首先做出了铣刀。1792，英国Maudslay制造丝锥和模具。关于麻花钻发明的最早文献记载在1822，但直到1864才作为商品生产出来。
当时的刀具是整体高碳工具钢，允许的切削速度是每分钟5米左右。1868年，含钨的合金工具钢是在英国穆斯彻特制的。1898年，美国的泰勒和怀特发明了高速钢。1923年，德国施罗德发明了硬质合金。
使用合金工具钢时，刀具切削速度提高到8m/min左右，使用高速钢时提高一倍以上，使用硬质合金时提高一倍以上，加工工件的表面质量和尺寸精度也大大提高。
由于高速钢和硬质合金价格高，刀具采用焊接和机械夹紧结构。从1949到1950，美国开始在车刀上使用可转位刀片，不久又应用到铣刀等刀具上。1938年，德国德固赛公司获得陶瓷工具专利。1972年，通用电气公司生产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以使刀具以更高的速度切削。
1969年，瑞典山特维克钢铁厂获得化学气相沉积法生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。从65438年到0972年，美国的邦莎和拉古林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一层碳化钛或氮化钛的硬质层。表面涂层法将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。
根据工件加工表面的形式，刀具可以分为五类。加工各种外表面的工具，包括外表面上的车刀、刨刀、铣刀、拉刀和锉刀；孔加工工具，包括用于内表面的钻头、铰刀、镗刀、铰刀和拉刀；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动螺纹切削头、螺纹车刀和螺纹铣刀；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等。切割工具，包括锯齿圆锯、带锯、弓锯、切削车刀和锯片铣刀等。此外，还有组合刀具。
根据切削运动方式和相应的刀片形状，刀具可分为三类。通用工具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、铰刀、铰刀和锯等。成形刀具，其刀片的形状与待加工工件的截面形状相同或几乎相同，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、锥形铰刀和各种螺纹加工刀具；范成刀具用于加工齿轮齿面或类似工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀、锥齿轮铣刀头等。
各种工具的结构由夹紧部分和工作部分组成。整体结构工具的夹紧部分和工作部分都制作在工具本体上；镶齿结构刀具的工作部分(齿或刀片)镶嵌在刀体上。
工具的夹紧部分有两种类型:孔和手柄。带孔刀具通过内孔套装在机床主轴或主轴上，通过轴键或端键传递扭矩，如圆柱铣刀、嵌套式面铣刀等。
通常有三种带柄的工具:长方柄、圆柱柄和圆锥柄。车削工具、刨床等。通常是矩形手柄；锥形手柄通过锥度承受轴向推力，通过摩擦传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等工具。切割时，通过夹紧时产生的摩擦力来传递扭矩。很多有柄工具的手柄是用低合金钢制造的，而工作部分是用高速钢通过对焊制造的。
刀具的工作部分是产生和处理切屑的部分，包括刀片、破碎或滚动切屑的结构、移除或储存切屑的空间、切削液的通道和其他结构元件。有些刀具的工作部分是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀、铣刀等。有些刀具的工作部分包括切削部分和校准部分，如钻头、铰刀、内表面拉刀和丝锥。切削部分的作用是用刀片切屑，校准部分的作用是使加工表面光滑和引导刀具。
工具工作部分的结构有三种类型:整体式、焊接式和机械夹紧式。整体结构是在刀体上制作刃口；焊接结构是将刀片钎焊到钢制刀体上；机械夹紧结构有两种，一种是将刀片夹紧在刀体上，另一种是将钎焊好的刀头夹紧在刀体上。硬质合金刀具一般做成焊接结构或机械夹紧结构；瓷质刀具均采用机械夹紧结构。
刀具切削部分的几何参数对切削效率和加工质量有很大影响。增大前角可以减少前刀面挤压切削层时的塑性变形，降低切屑流经前方的摩擦阻力，从而降低切削力和切削热。但增大前角会降低切削刃的强度，减少刀头的散热量。
在选择刀具的角度时，我们需要考虑许多因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性能(粗加工和精加工)等。，而且一定要根据具体情况合理选择。一般来说，刀具角度是指制造和测量时使用的标记角度。由于刀具安装位置的不同和切削方向的变化，实际工作角度和划线角度是不同的，但这种差别通常很小。
用于制造工具的材料必须具有较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、锻造和热处理等)。)，且不易变形。
通常材料的硬度高，耐磨性也高；当弯曲强度高时，冲击韧性也高。然而，材料的硬度越高，其弯曲强度和冲击韧性越低。由于高速钢具有较高的抗弯强度、冲击韧性和良好的切削加工性，所以它仍然是现代使用最广泛的刀具材料，其次是硬质合金。
聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度的淬硬钢和硬铸铁。聚晶金刚石适用于切割有色金属、合金、塑料和玻璃钢。碳素工具钢和合金工具钢只用作锉刀、板牙、丝锥等工具。
硬质合金可转位刀片已经通过化学气相沉积涂覆有碳化钛、氮化钛、氧化铝硬质层或复合硬质层。发展中的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金工具，也可用于高速钢工具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀。硬质涂层作为化学扩散和热传导的屏障，减缓了刀具的磨损速度，涂层刀片的寿命比未涂层刀片提高了1 ~ 3倍以上。
由于零件工作在高温、高压、高速和腐蚀性流体介质中，使用的难加工材料越来越多，切削的自动化水平和对加工精度的要求也越来越高。为了适应这种形势，工具的发展方向将是开发和应用新的工具材料；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一层硬度更高的涂层，更好地解决刀具材料硬度和强度之间的矛盾；进一步发展旋切机的结构；提高工具制造精度，减少产品质量差异，优化工具使用。
涂层的切削性能明显优于TiN涂层。加工Inconel178的刀具寿命虽然PVD涂层显示出许多优点，但有些涂层如Al2O3和金刚石倾向于采用CVD涂层技术。Al2O3是一种具有很强的耐热性和抗氧化性的涂层，可以隔离刀具本体与切削产生的热量。通过CVD涂层技术，可以整合各种涂层的优点，达到最佳的切割效果，满足切割的需要。
比如说。TiN具有低摩擦的特性，可以减少涂层结构的损失，TiCN可以减少侧翼的磨损，TiC涂层硬度高，Al2O3涂层具有优异的隔热效果。与硬质合金刀具相比，涂层硬质合金刀具在强度、硬度和耐磨性方面有了很大的提高。车削硬度为HRC45~55的工件，低成本涂层硬质合金可以实现高速车削。近年来，一些制造商通过改进涂层材料，大大提高了涂层工具的性能。如美国和日本的一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新的专利涂层技术，生产出硬度高达HV4500~4900的涂层刀片，能以498.56m/min的速度切削硬度为HRC47~58的模具钢。车削温度高达1500 ~ 1600℃时，硬度不降低，不氧化。刀片寿命是一般涂层刀片的4倍，成本只有30%，附着力好。陶瓷材料随着其成分结构和压制工艺的不断完善，特别是纳米技术的进步，使陶瓷刀具增韧成为可能。在不久的将来，陶瓷可能会引起继高速钢和硬质合金之后的第三次切削革命。
陶瓷刀具具有硬度高(HRA91~95)、强度高(抗弯强度为750~1000MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、抗粘连性能好、摩擦系数低、价格低廉等优点。而且陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，在1200℃达到HRA80，在正常切削时，陶瓷刀具的耐用度极高，切削速度比硬质合金高2-5倍。特别适用于加工高硬度材料、精加工和高速加工，可切削硬度达到HRC65的各种淬硬钢和淬硬铸铁。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。
氧化铝基陶瓷刀具的红硬性比硬质合金高，切削刃在高速下不会产生塑性变形，但强度和韧性很低。为了提高其韧性和抗冲击性，可以加入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。氮化硅基陶瓷不仅具有较高的红硬性，还具有良好的韧性。与氧化铝基陶瓷相比，其缺点是加工钢材时容易产生高温扩散，加重刀具磨损。氮化硅基陶瓷主要用于断续车削和铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体的材料，其中TiC是主要的硬质相(0.5~2？m)是一种类似于硬质合金的工具，但它具有低亲和力、良好的摩擦和良好的耐磨性。它可以承受比传统硬质合金更高的切削温度，但它缺乏抗冲击性、强切削时的韧性以及低速和大进给时的强度。
近年来，通过大量的研究、改进和新的制造技术，其抗弯强度和韧性有了很大的提高。如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525和瑞典山特维克公司开发的新型金属陶瓷叶片CT系列和涂层金属陶瓷叶片系列，其晶粒组织直径小至1？m以下，抗弯强度和耐磨性远高于普通金属陶瓷，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，具有优异的高温硬度。与陶瓷相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗碎性较好。广泛用于切削淬火钢(HRC≥50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金，其切削速度比硬质合金刀具可提高一个数量级。
高CBN含量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、冲击韧性好，但缺点是热稳定性差、化学惰性低，适用于切削耐热合金、铸铁和铁基烧结金属。PCBN刀具中CBN颗粒含量低，用陶瓷作结合剂硬度低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的缺点，适用于切削淬硬钢。
陶瓷和PCBN刀具切削淬硬钢时的残余应力切削灰铸铁和淬硬钢时，可以选择陶瓷刀具或CBN刀具。所以要进行成本效益和加工质量分析，确定选择哪一种。图3显示了用Al2O3、Si3N4和CBN工具加工灰铸铁后的工具面磨损。PCBN刀具材料的切削性能优于Al2O3和Si3N4。然而，在干切削淬硬钢时，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，但不如PCBN刀坚韧坚硬。当切削硬度低于HRC60，进给量较小时，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适用于切削硬度高于HRC60的工件，尤其适用于自动加工和高精度加工。
另外，在相同的后刀面磨损下，PCBN刀具切削后工件表面的残余应力比陶瓷刀具相对稳定。使用PCBN刀具干切削淬硬钢时，应遵循以下原则:在机床刚度允许的情况下，尽可能选择较大的切削深度，使切削区域产生的热量能使切削刃前沿的金属局部软化，这样能有效减少PCBN刀具的磨损。另外，在使用PCBN刀具进行小切削深度时，还应考虑到切削区域的热量不能扩散得太晚，切削区域还能产生明显的金属软化效果，可以减少切削刃的磨损。
超硬刀具的刀片结构和几何参数对充分发挥刀具的切削性能至关重要。工具强度方面，各种刃形的刀尖强度从高到低依次为圆形、100菱形、方形、80菱形、三角形、55菱形、35菱形。叶片材料选定后，应选择强度尽可能高的叶片形状。硬车削刀片也要选择尽可能大的刀尖圆弧半径，粗加工用圆形和大刀尖圆弧半径刀片，精加工用刀尖圆弧半径在0.8左右？大约m .淬硬钢的切屑呈红色软带状，易碎，易断，不粘结。淬火钢的切削表面质量较高，一般不会产生切屑结块，但切削力较大，特别是径向切削力大于主切削力。因此，刀具应采用负前角(GO ≥-5)和大后角(AO = 10 ~ 6544)。主偏角取决于机床的刚度，一般为45° ~ 60°，以减少工件和刀具的颤振。超硬刀具切削参数的选择及对工艺系统的要求工件材料的硬度越高，其切削速度越低。超硬刀具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。切割深度较大或强度断续的高硬度材料时，切割速度应保持在80 ~ 100 m/min。一般情况下，切削深度在0.1 ~ 0.3 mm之间，加工表面粗糙度较低的工件时，可以选择较小的切削深度，但不宜过小，以合适为宜。进给速度通常可以在0.05-0.25mm/r之间选择，具体数值取决于表面粗糙度值和生产率要求。当表面粗糙度ra = 0.3 ~ 0.4时？m，用超硬刀具硬车削比磨削经济得多。
除了选择合理的刀具外，对车床或车削中心使用超硬刀具进行硬车削没有特殊要求。如果车床或车削中心的刚度足够，在加工软质工件时能获得要求的精度和表面粗糙度，则可用于硬质切削。为了保证车削操作的平稳和连续，通常使用刚性夹紧装置和中等前角刀具。如果在切削力的作用下，工件的定位、支撑和旋转能保持相当稳定，现有设备可以使用超硬刀具进行硬车削。超硬刀具在硬车削中的应用使用超硬刀具进行硬车削。经过十几年的发展和推广，该技术取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。
轧辊加工业我国许多大型轧辊企业都使用超硬工具对各种轧辊进行过粗、粗、精加工，如冷硬铸铁、淬火钢等，都取得了良好的效益。如武钢轧辊厂在对硬度为HS60 ~ 80的冷硬铸铁轧辊进行粗加工和半精加工时，切削速度提高了3倍，每车1辊，节省动力和工时400多元，节省刀具费用近100元，取得了很大的经济效益。比如我们学校用FD22金属陶瓷刀具车削HRC 58 ~ 63的86CrMoV7淬硬钢轧辊时(Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，单边连续切削轧辊的轨迹达到15000m(刀尖后面磨损区最大宽度VBmax=0.2mm)。工业泵加工行业目前国内压载泵生产厂家70% ~ 80%都采用了超硬工具。
渣浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品。其护套和护板为HRC 63 ~ 67的Cr15Mo3高硬度铸铁件。以前因为各种刀具很难车削这种材料，所以我们不得不采用退火、软化、粗加工，然后淬火的工艺。超硬刀具使用后，成功实现了第一道硬化工序，省去了退火和淬火两道工序，节省了大量工时和电能。
在汽车加工业中，曲轴、凸轮轴、传动轴的加工，刀具、量具的加工，设备的维护，经常会遇到淬硬工件的加工问题。比如国内某机车车辆厂，设备维修需要加工轴承内圈。轴承内圈(材料GCr15钢)硬度HRC60，内圈直径F 285 mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需要2小时磨削。而用超硬工具加工一个内圈只需要45分钟。
结论:经过多年的研究和探索，我国在超硬工具方面取得了很大进展，但超硬工具在生产中的应用并不广泛。主要原因有:生产企业和操作者对超硬刀具硬车削的效果认识不够，普遍认为硬材料只能磨削；认为工具成本太高。硬车削的初始刀具成本比普通硬质合金刀具高(比如PCBN比普通硬质合金刀具贵十几倍)，但分摊到各部分的成本比磨削低，带来的效益比普通硬质合金刀具好很多；超硬刀具加工机理研究不足；超硬刀具加工的规范不足以指导生产实践。因此，除了深入研究超硬刀具的加工机理外，还需要加强超硬刀具加工知识的培训、成功经验的示范和严格的操作规范，使这种高效、清洁的加工方法更多地应用于生产实践。