子母刀

　刀身很短，刀柄处有一护手刀，称为子刀；母刀刀背笔直，刀身宽。子刀细小绕柄半圈，且有一刀尖。

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．怀特发明高速工具钢。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。

高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。

研究现状

20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。

2．1 高速铣刀的安全失效形式与试验方法^[1]

标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。

高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。

2．2 高速铣刀强度计算模型

高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。

刀(5)为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。

安全措施

结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：

1．减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构

由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体，因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。

在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。高速铣刀已广泛采用HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。

2．改进刀具的夹紧方式

模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。

3．提高刀具的动平衡性

提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。

设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：

F=emω2=U（n/9549）2

式中：U为刀具系统不平衡量（g·mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。

由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。

结语

高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。

凹磨（HollowGrind：

于刀面两侧各挖除一个凹槽，因其容易加工及设计，故市面上许多工厂刀皆是此一种研磨方式。最大的优点便是经此研磨后会形成一个非常薄的刀刃，而越薄的刀刃切削能力越好。其缺点为：越薄的刀刃越脆弱。它可以切、削较硬的物体或组织，但却不适合用以在料理食物时砍劈的动作，因刀身的纵切面为非线性，故无法切的太深。凹磨的刀子皆不建议用于砍劈动作上，因其刀刃相对的较脆弱。其最大的优点便是增加刀刃的切削能力，尤其是在刀面不够宽阔时使用（德国Puma刀厂算出若刀背有3.5mm厚，那么刀面至少要有20mm宽才能有相当的切削砍劈能力。若不够宽的刀子便要以Hollowground的方式来弥补。）。早期的剃头刀便是用凹磨。^[2]

凿刀磨法、片刃研磨（ChiselGrind）：

刀面只有一面研磨。优点有四：1.易于加工：一面研磨故只需其它研磨方式的一半加工，且不需太过精密，因此省时、省工、省钱。2.易于研磨：除非严重的损伤，否则只需研磨一面即可，且研磨技术不必像其它研磨方式一般的高超。3.刀刃坚固：只单边开刃，故刀刃角度大（约30-45度），刀身厚。4.节省材料：在早期锤打制刀时代，此种研磨方式不需像其它研磨方式一般要削去多余的钢材，可节省最多的钢材耗费。台湾原住民的刀子便是凿刀磨法。　缺点有三：1.无法准确的切削：拿凿刀磨法及其它双边研磨的刀子来切苹果时你便会发现，双面研磨的刀子可以精准的将苹果平分切成两半，而凿刀磨法的刀子则会随着研磨的角度而〔斜〕出去。2.无法穿刺的太深：凿刀磨法在刀尖上造成了太多的斜面，使得其在穿刺上形成了许多的阻碍点。举例而言，你从未见过凿刀研磨的匕首、短剑或穿孔锥吧！3.研磨面错误：右手刀的研磨方式为（从刀背向下俯视）刀面的左侧为平坦，右侧才研磨?左手刀刚好相反。然因东、西方传统性刀面展示上的不同及小刀用法习惯的差异，使得西方刀厂所做出之凿刀研磨大多为左手刀（西方人习惯将刀尖向左的展示刀子，将左刀面视为正面?东方人则将刀尖向右展示刀子，将右刀面视为正面），在刀刃向外切削必须将刀子切削的角度加大才能平顺的使用。美国也发现了这个问题，虽然大多数的刀厂依旧坚持〔左手刀〕，但如GTKnives已将其凿刀磨法的刀子改为右手刀。日式的凿刀磨法的刀子则全是右手刀。PhillHartsfield是使用凿刀开刃之名家，而Emerson的CQC-6则为美国第一把使用凿刀开刃的折刀。

平面磨法（FlatGrind/VGrind）：

为兼顾锐利及坚固的一种研磨方式。从刀背开始便一直平磨至刀锋处，因此具有一相当坚固的刀背及刀脊。此种研磨方式相较于上述两种而言为较难以研磨的形式，因在研磨过程中许多钢材需被磨掉。刀刃处非常薄而锐利，适用于各式野外用刀，是非常优良的研磨方式。因从刀的纵切面来看成一V型，故又称为V型磨法。

骑兵磨法（SaberGrind）：

与平面磨法相似，都是刀面两侧无凹槽的设计。不同在于平面磨法是从刀背处便一直研磨至刀刃，而骑兵磨法则是从一半开始研磨。亦具有相当优异的切削砍劈能力。早期骑兵刀便是此一研磨形式，故称为骑兵磨法。

圆弧磨法（ConvexGrind）：

又称为MoranGrind，因BillMoran是将此一研磨方式发展的最佳的西方刀匠大师。此种研磨方式不像上述的四种磨法。别种研磨法都是在刀子两侧形成一斜面或凹槽，而圆弧磨法则是在刀锋上方形成一双凸的圆弧（因长的像文蛤，故日本又称为蛤刃）。此种研磨方式就如便如平面磨法一般的坚固，凹磨一般的锐利。为非常难造的一种研磨方式。其缺点为若你没有Flat-BeltGrinder，那么刀刃钝时便很难自己研磨。